DE2653547A1

DE2653547A1 - Roentgenroehre mit einer gluehkathode und einer am gegenueberliegenden ende der roentgenroehre befindlichen anode

Info

Publication number: DE2653547A1
Application number: DE19762653547
Authority: DE
Inventors: Bernard Grubis
Original assignee: Koch and Sterzel AG
Current assignee: Koch and Sterzel AG
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1977-06-16
Also published as: US4075526A; NL7613134A; JPS5267994A; FR2333344A1; FR2333344B1

Description

KOCH & STERZEL Essen, den 22.11.1976

KOMMANDITGESELLSCHAFT Bt/Os

Röntgenröhre mit einer Glühkathode und einer am gegenüberliegenden Ende der Röntgenröhre befindlichen Anode

Die vorliegende Erfindung bezieht §ich auf eine Röntgenröhre mit einer Glühkathode und einer an einem Ende angeordneten, plättchenartigen, metallischen Anode, die senkrecht zur Achse des Elektronenstrahlenbündels steht und von diesem derart auf einer Seite beaufschlagt wird, daß auf der anderen Seite Röntgenstrahlen austreten, wobei diese derart gefiltert werden, daß eine Hervorhebung der für das Anoden-material charakteristischen Strahlung erfolgt.

In der DT-OS 2 4i1 4o8 ist eine Röntgenröhre mit einer Kaltkathode beschrieben worden, die ein lamellenförmiges Anodenfenster aufweist, welches an einem Ende der Röntgenröhre angeordnet ist, *ind zwar um eine Abgabe von quasi monochromatischer Röntgenstrahlung zu ermöglichen, da die Anode simultan eine Filterung der Strah-

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lung derart bewirkt, daß die charakteristische Strahlung des Anodenmaterials hervorgehoben wird.

Die Verwendung einer Kaltkathode bedingt aber eine schwierig zu erzielende Stabilisation des Anodenstromes durch ständiges Halten der Röntgenröhre auf einem entsprechenden Vakuum, und zwar mit Hilfe von einer regelbaren Vakuumpump©, deren Funktion in Abhängigkeit von diesem Strom steht um den Restdruck von den Gasen der Röhre zu stabilisieren. Dies ist mit Hilfe von einer Gruppe von Pumpen und einer regelbaren Einrichtung verwirklicht. Aus diesem Grunde ist eine solche Anlage unhandlich, d.h. sie kann schlecht transportiert werden. Im übrigen ist festzustellen, daß der Verbrauch dieser Anlage sehr hoch ist, was seine Wirtschaftlichkeit stark herabsetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich gegenüber der bekannten Ausführungsform durch einen geringen Verbrauch auszeichnet und die in transportablen Röntgenapparaten untergebracht werden kann, z.B. in Spektrometern, insbesondere um durch Röntgen- Fluoreszenz einerseits relativ leichte Elemente, d.h. Elemente mit einer Atomzahl Z, die geringer als 45 ist, durch Anregung ihres K-Spektrums oder andererseits die schwereren Elemente durch Anregung ihres L-Spektrums zu analysieren.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch, gelöst, daß eine erste zusätzliche, auf den Zentralstrahl des in seiner Ausdehnung einstellbaren Elektronenstrahlenbündels zentrierte, kreisringförmige Elektrode parallel zur, sowie nahe bei der Anode angeordnet ist, und daß diese Elektrode zwecks Umssetzung der von der Anode zurückgeworfenen Elektronen in Röntgenstrahlen wenigstens teilweise, und zwar zumindest hinsichtlich ihres Oberflächenbereichs aus einem dem Anodenmaterial entsprechenden Material besteht_o

In Fortführung der Erfindung ist eine zweite zusätzliche, hohlzylinderförmige Elektrode in der Bahn des Elektronenstrahlenbündels angeordnet, und zwar zwischen der Kathode und der ersten zusätzlichen Elektrode, wobei die zweite zusätzliche Elektrode zwecks Einstellung der Dimensionen von der durch das Elektronenstrahlenbündel beaufschlagten Oberfläche der Anode, d.h. des Brennflecks auf einem regelbaren Potential liegt.

¥eitere Vorteile und Gegebenheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert:

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Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, besteht die luftleere Röntgenröhre 1 teilweise aus einem Glasoder Keramikteil 2. Dieses Teil 2 setzt sich aus
einem zylindrischen Mantel 3 und einer senkrecht
zu dem Mantel 3 stehenden Abschlußplatte 4 zusammen. Zn die Platte 4 sind metallische Verbindungsteile 5>6,7 eingelassen, welche einerseits die im
Inneren der Röntgenröhre angeordneten Teile tragen und welche andererseits die Teile polarisieren und mit einem Strom beaufschlagen, der von einer äußeren Versorgungsquelle JO geliefert wird. Die beiden ersten Verbindungsteile 5 und 6 sind mit einer aus leitfähigem Material bestehenden Bündelungsvorrichtung 8 verbunden, wobei zumindest ein Verbindungsteil 5 oder 6 gegenüber dieser über ein hohlzylindrisches Element 9 ^au-s geeignetem Material isoliert ist. An ihren beiden innerhalb der Bündelun^rorrichtung 8 liegenden Enden sind die Enden eines Glühdrahtes 10 befestigt, der eine helikoidale Form aufweist, und aus einem Material z.B. Wolfram besteht, das bei Erwärmung Elektronen emittiert.

Die den Glühdraht 10 etwa ganz umfassende Bündelungsvorrichtung 8 ist derart angeordnet, daß der Glühdraht sich auf der der Platte 4 abgewandten Seite befindet.

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Desweiteren befindet sich die Bündelungsvorrichtung 8 auf demsleben Potential wie die durch den Glühdraht gebildete. Kathode oder auf einem negative Potential, so daß die emittierten Elektronen in Richtung auf die gegenüberliegende Anode 11 gedrängt werden. Das gegenüber der Platte k liegende Ende des Mantels von dem aus Glas oder Keramik bestehenden Teil 2 ist mit einem Ende von einem hohlzylinderförmigen Teil 12 verbunden, das aus einer Metallegierung besteht, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der nahe demjenigen von Glas oder Keramik liegt, z.B. besteht das Teil aus einer Legierung mit mehr als 50$ Fe, 28-29$ Ni, 17-18$ Co. Ein solches Legierungsmetall ist unter der Bezeichnung "Kovar" bzw. "Fernico" oder "Dilver P" bekannt.

Das andere Ende von diesem hohlzylindrischen Teil 12 ist durch Hartlötung mit einem metallischen Teil I3 verbunden, in dem die Anode 11 gehalten ist, und das sich aus einem Hohlzylinderteil 14 und einer Abschlußplatte 15 zusammensetzt, die senkrecht zur Achse des Teiles \h steht. Das Anodentragteil 13 ist z.B. aus massivem Kupfer hergestellt und weist in der Mitte von der Abschlußplatte I5 eine krisförmige Öffnung 1.6 auf, die mittels einer dünnen runden Lamelle 17 aus einem für die Röntgenstrahlung durchlässigen Material

z.B. Beryllium verschlossen ist.

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Diese runde Membrane 17 ist z.B. durch Lötung an dem Umfang der Öffnung 16 derart angeordnet, daß s±e einen luftdichten Abschluß darstellt. Die von den von der Kathode 10 ausgehenden Elektronen beaufschlagte Anode 11, ist z.B. aus einer dünnen Metallschicht gebildet, die auf der inneren Oberfläche des Fensters 17 aufgebracht ist. Vorzugsweise weist dabei die aus Beryllium bestehende Platte eine Dicke von ungefähr 100-150 /um auf, auf deren Innenseite die aus Silber oder Rhodium bestehende Schicht 11 aufgebracht ist. Die Dicke von dieser Schicht 11 liegt beispielsweise zwischen 2 und 4/üm.

Es ist aber genauso vorteilhaft, das Fenster 17 und die Anode 11 aus demselben blattförmig gehaltenen Material z.B. aus Molybdän oder aus reinem Kupfer herzustellen, wobei diese eine Dicke von einigen 10/um aufweisen. Auch ist es möglich, die charakteristischen Röntgenstrahlen von Silber oder Kupfer dadurch zu erlangen, daß das Fenster 17 welches gleichzeitig die Anode 11 darstellt, aus einer Legierung von Beryllium und Silber oder Kupfer und einem hohen Anteil von Beryllium (Kupfer-Beryllium) herzustellen, wobei die Dicke des Gebildes in der Größenordnung von mehreren 10 /um bis mehr als 100 /un liegt. Z.B. kann man für die Verbindung

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von Beryllium und Silber 3-8tfo Silber, vorzugsweise ungefähr yf> verwenden, womit man die charakteristische Strahlung von Silber ( K^ Κλ und L^ und Lß) erzielt, und zwar mit ausreichender Intensität um die Fluoreszenz-Strahlungen anzuregen in den Elementen mit einer Atomnummer, die kleiner als 45 ist.

Gemäß der Erfindung ist nunmehr die Röntgenröhre 1 mit einer in der Nähe der Anode 11 bzw. dem Fenster 17 vorgesehenen Elektrode 19 versehen, die eine zentrale Öffnung 20 aufweist, und zwar um die Elektronenstrahlen passieren zu lassen, und um eine Blende für diese zu bilden. Diese Elektrode 19 ist senkrecht zum Zentral strahl des Elektr onens trahlenbündles angeordnet und mechanisch als auch elektrisch mit der inneren Wand des zylindrischen Teiles 14 von dem Anodentragteil 13 verbunden. Diese kreisringförmige Elektrode 19 besteht zumindest teilweise aus einem dem Anodenmaterial entsprechenden Metall, und zwar um dadurch die Röhrenleistung zu erhöhen, in dem nämlich die von der Anode 11 zurückgeworfenen Elektronen mit Energien auf die Elektrode 19 aufprallen, die mit den Energien der primären Elektronen des emittierten Strahlenbündels vergleichbar sind, und somit eine Röntgenstrahlung dort hervorrufen, wovon ein Teil die Anode oder das kombi-

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nierte Penster-Anodengebilde durchquert und dadurch, die Quantität der von der Röhre emittierten Röntgenstrahlung verbessert. Bei allen Röntgenröhren mit Membran-Anode, d.h. bei den Röhren, bei denen die Nutzstrahlung die Anode durchquert, ist die von der Anode emittierte Röntgenstrahlung gefiltert, wobei die Familien der charakteristischen K und L - Strahlen eine Verstärkung bzgl. der Bremsstrahlung erfahren, da diese bei der Durchquerung stark gedämpft wird. Man erlangt also eine Strahlung, die quasi mono-chromatisch ist. Sie ist damit gleich zu den von der Anode 11 zurückgeworfenen, auf die Blende aufprallenden Elektronenstrahlen bzw. den daraus hervorgehenden Röntgenstrahlen, wovon ein Teil gleichermaßen die Anode 11 durchquert und dabei ebenfalls einer Filterung unterliegt. Die Blende 19 kann aber auch aus einem beliebigen Metall, z.B. Kupfer bestehen und total mit einer Schicht überzogen sein, die aus einem dem Anodenmaterial entsprechenden Material gebildet ist. Die Dicke von dieser die Blende überziehenden Schicht, kann größer sein als die Dicke der Anode selbst.

Es ist weiterhin vorteilhaft, zur Vermeidung von gegebenenfalls auftretenden, unerwünschten Strahlungen, die durch den Aufprall von zurückgestreu-

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ten oder direkten Elektronen auf metallische Teile hervorgerufen werden, die hierfür in Präge kommenden Bereiche, d.h. die innere ¥and des Anodentragteiles 13» sowie eventuell die Fokussierungselektrode 21 mit einer Schicht aus einem dem Anodenmaterial antsprechenden Material zu bedecken.

In der Röntgenspektrometrie ist es üblich, mit zwei Strahlen-Familien zu arbeiten, und zwar mit den K und L — Strahlen des Spektrums, da. die K-Strahlen eine gute Röntgen-Fluoreszenz in den Elementen hervorrufen, deren Atomzahl geringfügig unterhalb der Atomzahl des Anodenmaterials liegt, während die L-Strahlen dasselbe bei den Elementen bewirken, deren Atomzahlen noch niedriger liegen. Aus diesem Grunde ist Silber, das eine Atomzahl von 47 aufweist, geeignet, die Röntgeii-Fluoreszenz mit Hilfe der K-Strahlen bei Elementen, die im Bereich von Rhodium (Atomzahl 45) bis Kalium (Atomzahl 19) liegen, anzuregen. Ebenso ist es geeignet, mit Hilfe der L-Strahlen die Röntgen-Fluoreszenz bei Elementen die im Bereich von Chlor (Atomzahl 1?) bis Bor (Atomzahl 5) liegen, anzuregen. Analoge Resultate können auch mit Anoden aus Rhodium, Kupfer und Molybdän erzielt werden.

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In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß es vorteilhaft ist, Fenster aus Beryllium zu verwenden, die so dünn wie möglich ausgebildet sind, da hierdurch insbesondere Strahlungen mit relativ hoher Wellenlänge - xtfie diejenigen der L-Strahlen - gedämpft werden. Aufgrund dessen erlauben Röntgenröhren mit gattungsgemäß vorgesehenen Anoden die Anordnung von zu bestrahlenden Proben in der Nähe der Anode und die Vergrößerung der Densität des auf die Probe aufprallenden Primärstrahlenbünde1s. Man erzielt also eine Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades, und zwar bis zu einem Faktor zehn in Bezug auf konventionelle Röhren, d.h. daß eine erfindungsgemäße Röntgenröhre mit einer Leistung von 200 -250 Watty ruft am Niveau der Probe dieselbe Röntgen-Fluoreszenz hervor, wie eine klassische Röhre mit einer Leistung von ungefähr 25OO Watt.

Im Zusammenhang mit einer vorstehend beschriebenen Röntgenröhre ist es vorteilhaft, in der Bahn des Elektronenstrahl enbündeIs zwischen der Kathode 11 und der ersten Elektrode 19 eine metallische, hohlzylinderförmige Fokussierungselektrode anzuordnen, die durch eine metallische Traverse 7 gehalten wird. Über die Traverse 7 wird gleichermaßen der Elektrode 21 ein einstellbares Potential zugeführt, womit die Dimensionen des Fokus veränderbar sind, d.h. die von dem primären Elek-

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tronenstrahlenbündel beaufschlagten Oberfläche der Aliode 11 kann variiert werden.

Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Röntgenröhre für die Analyse von kleinen Proben oder von kleinen Oberflächen zu verwenden, und zwar mit einer Strahlungsdensität, die deutlich höher als diejenige ist, welche mit konventionellen Röhren erzielt wird, denn hierbei wird eine Ausblendung des primären Strahlenbündels zwischen der Röhre und der Probe herangezogen, was mit einer sehr schlechten photonischen Den— sität bezogen auf die Einheit der Oberfläche verbunden ist. Die Fokussierungselektrode 21 ist vorzugsweise näher an der Elektrode I9 als an der Kathode 10 angeordnet.

Die Anode 11 und das Anodentragteil I3 sind mit der Masse und mit dem positiven Pol 3I von einer Spannungsquelle 30 mit sehr hoher stabilisierter Spannung verbunden. Der negative Pol 32 dieser Spannungsquelle ist mit dem einen Verbindungsteil 6 der Kathode 10 verbunden. Die Spannungsquelle 30 kann eine Spannung liefern, die zwischen 10 und 4o kV regelbar ist. Zwischen den Klemmen 31 und 32 der Spannungsquelle 30 ist ein Potentiometer 33 geschaltet, dessen Schleifer ^h mit dem Verbindungsteil 7 verbunden ist, das wiederum mit der Fokussierungselektrode 21 verbunden ist, so daß damit seine Spannung verändert werden kann, und zwar um die

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Einstellung der Größe des Fokus, d.h.. der bestrahlten Oberfläche der Anode 11 zu ermöglichen. Die Intensität des Strahlenbündels ist zwischen 0 und 5 mA regelbar, und zwar z.B. mit Hilfe von bekannten Mitteln (nicht dargesteltt), beispielsweise über einen Regelwiderstand oder einen regelbaren Autotransformator, der die Veränderung des Heizstromes im Glühdraht 10 und dadurch des Röhrenstromes bewirkt.

Die erfindungsgemäße Röntgenröhre stellt eine Strahlenquelle mit quasi mono-Chromatiseher Strahlung von geringer Energieleistung dar. Sie ist deshalb besonders für die Anwendung in Analyseapparaten zur Spektrometrie oder Diffraktiometrie geeigenet.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

' 1·)yRöntgenröhre m±t einer Glühkathode und einer an einem Ende angeordneten, plättchenartigen, metallischen Anode, die senkrecht zur Achse des Elektronenstrahlenbündels steht, und von diesem derart auf einer Seite beaufschlagt wird, daß auf der anderen Seite Röntgenstrahlen austreten, wobei diese derart gefiltert werden, daß eine Hervorhebung der für das Anodenmaterial charakteristischen Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste zusätzliche, auf den Zentralstrahl des in seiner Ausdehnung einstellbaren Elektronenstrahlenbündels zentrierte, kreisringförmige Elektrode ("I⁰-) parallel zur sowie nahe bei der Anode (11) angeordnet ist, und daß diese Elektrode zwecks Umsetzung der von der Anode zurückgeworfenen Elektronen in Röntgenstrahlen wenigstens teilweise, und zwar zumindest hinsichtlich ihres Oberflächenbereichs aus einem dem Anodenmaterial entsprechenden Material besteht.
2.) Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite zusätzliche, hohlzylinderförmige Elektrode (-21.) in der Bahn des Elektronenstrahlenbündels

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ORIGINAL INSPECTED

angeordnet ist, und zwar zwischen der Kathode (1O) und der ersten zusätzlichen Elektrode ( I9), wobei die zweite zusätzliche Elektrode (21 ) zwecks Einstellung der Dimensionen von der durch das Elektronenstrahlenbündel beaufschlagten Oberfläche der Anode, d.h. des Brennflecks auf einem regelbaren Potential liegt.
3·) Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (11) aus einer Metallschicht mit einer Dicke von einigen yum gebildet ist und auf einem dünnen plättchenförmigen Fenster (I7) aufgebracht ist, das aus einem für Röntgenstrahlen durchlässigen Material besteht und die Dichtigkeit der Röhre gewährleistet z.B. Beryllium.
4.) Röntgenröhre nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem in die Klasse von Silber/Rhodium fallenden Metall besteht.
5·) Röntgenröhre nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der die Anode bildenden Metallschicht in einer Größenordnung von 2 bis 4 /um, vorzugsweise in der Größenordnung von 3 /um li^e&*> ^und- auf einem Berylliumfenster mit einer Dicke von ungefähr 100 /um aufgebracht ist.

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6.) Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur Gewährleistung der Dichtigkeit der Röntgenröhre entsprechend angeordnet ist und aus einem Metallplättchen z.B. Kupfer oder Molybdän gebildet ist, das eine Dicke von einigen /um aufweist.
7.) Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur Gewährleistung der Dichtigkeit der Röntgenröhre entsprechend angeordnet ist und aus einem Plättchen besteht, das aus einer Legierung von Beryllium und Silber oder Kupfer gebildet ist, wobei diese letzgenannten Metalle in der Legierung nur gering vertreten sind.
8.) Röntgenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Beryllium und Silber einen Anteil an Silber aufweist, der geringer als 8$ ist und vorzugsweise bei 5$ liegt.
9.) Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das luftdichte Röhrengehäuse ein metallisches Teil aufweist, an dem die Anode gehaltenist, und wobei die erste zusätzliche Elektrode eine Blende darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des metallischen Teiles (I3) wenigstens auf dem Teil mit

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einer dem Anodenmaterial entsprechenden Metallschicht überzogen ist, der für den Einfall von direkten oder zurückgeworfenen Elektronen in Betracht kommt.

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