DE2723874C3 - Röntgenröhre mit ortsfester Anode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit ortsfester Anode bestehend aus einem evakuierten Kolben, einer an einem Ende des Kolbens angeordneten Anode mit einer Elektronenaufprallfläche, die gegenüber der Waagerechten, senkrecht zur zentralen Längsachse der Anode stehenden Ebene geneigt ist, aus einem in der Seitenwand des Kolbens neben der Anode angeordneten, für Röntgenstrahlen durchlässigen Fen· ster, und einer am anderen Ende des Kolbens angeordneten Kathode.

Eine derartige Röntgenröhre ist aus der DE-OS 17 64 179 bekannt Um die Erhitzung des Fenstermaterials der Röntgenstrahlröhre durch Sekundärelektronen zu reduzieren besteht das Austrittsfenster aus Beryllium, welches für weiche Röntgenstrahlen gut durchlässig ist und in einem metallenen Wandteil mit ringförmigen Querschnitt der Röntgenröhre angebracht ist Zur Reduzierung der das Fenster treffenden Sekundärelektronen ist der Bereich des Strahlenaustrittsfensters von einem starken Magnetfeld umschlossen, dessen Kraftlinien sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Röntgenstrahlröhre erstrecken, während das Gebiet mit nahezu konstanter Feldstärke wenigstens auf der Seite des Röntgenquerschnitts, wo sich das Strahlenaustrittsfenster befindet, eine maximale Breite besitzt. Die Ausbildung eines starken Magnetfelds setzt jedoch zwangsläufig eine entsprechende technische Einrichtung voraus, die daher einen zusätzlichen technischen Aufwand bei einem Röntgengerät bedeutet, wodurch dieses nicht nur größer und schwerer, sondern auch teuerer wird. Bei einer Ausführungsform dieser bekannten Röntgenstrahlröhre sind im Bereich der Elektronenaufprallfläche mehrere Strahlenaustrittsfenster um die Elektronenaufprallfläche herum vorgesehen. Diese Ausführungsform ist besonders für Röntgendiffraktionsgeräte mit mehreren Austrittsöffnungen für die Röntgenstrahlen geeignet

Aus der DE-PS 6 88 829 ist eine Hochleistungs-Röntgenröhre mit einem gegen die Elektronen Rückdiffusion eingekapselten Brennfleck und einem strahlungsgekühlten Fenster bekannt. Der Mittelpunkt des Fensters liegt bei dieser bekannten Konstruktion genau auf der Symmetrie-Mittelebene der Elektronenaufprallfläche, wobei das Fenster aus einer hoch hitzebeständigen Folie besteht und so eingesetzt ist, daß ein Streifen an seinem Rand der mit dem Anodenmaterial verbunden ist, durch einen nach innen überstehenden Teil des Anodenkörpers gegen Elektronenaufprall abgeschirmt wird, so daß ein starkes Temperaturgefälle in diesem Randstreifen auftritt

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Röntgenröhre der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß ohne technischen Mehraufwand und bei gleichbleibenden Abmessungen die durch Sekundärelektronen Emission bedingte

ίο Erwärmung des Fensters ohne wesentliche Reduzierung der Röntgenstrahlungsintensität sehr stark reduziert ist, so daß das Fenster aus einem dünneren, für Röntgen-, strahlen durchlässigen Material hergestellt werden kann.

η Ausgehend von der Röntgenröhre der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Mittelpunkt des Fensters gegenüber der lotrechten Symmetrie-Mittelebene der Elektronenaufprallfläche in Umfangsrichtung im Bereich von 30° bis 60" versetzt angeordnet ist

Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, daß die Intensitätsraumverteilung der Sekundärelektronen bzw. der Verlauf dieser Verteilung anders ist als der Verlauf der Röntgenstrahl-Raum verteilung. Durch die gegenüber der lotrechten Symmetrie-Mittelebene der Elektronenaufprallfläche versetzte Anordnung des Fensters kann die dieses Fenster beaufschlagende Bejativmenge der Sekundärdektronen überraschend stark verringert werden, ohne jedoch dadurch die Röntgenstrahlungsin-

M tensität nennenswert zu reduzieren. Infolgedessen wird

das Fenster nicht auf sehr hohe Temperaturen erwärmt was quasi ohne einen technischen Mehraufwand erreicht wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform

der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise weggebrochene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform, im Längsschnitt längs einer durch das Zentrum des Fensters und die Achse des evakuierten Kolbens verlaufenden Ebene,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Lagenbeziehung zwischen der lotrechten Symmetrie-Mittelebene der Elektronenaufprallfläche und dem Mittelpunkt des Fensters,

4^r> Fig.3a eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilungen der Röntgenstrahlen und der Sekundärelektronen,

F i g. 3b einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Ausschnitt aus Fig.3a zur Veranschaulichung des Ausmaßes der Verringerung der Intensitätsverteilungen der Röntgenstrahlung und der Sekundärelektronen,

Fig.3c eine schematische perspektivische Darstellung der Beziehung zwischen einem Verdrehwinkel θι der Elektrodenaufprallfläche und dem Winkel ψ

•-,5 zwischen der Hauptachse einer versetzten Elektronenaufprallfläche und einer waagerechten Ebene und

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verdrehwinkel der Elektronenaufprallfläche und den jeweiligen relativen Intensitätsverteilun-

bo gen der Röntgenstrahlung und der Sekundärelektronen sowie der relativen Temperaturverteilung des Fensters.

Gemäß F i g. 1 weist die Röntgenstrahlröhre 10 einen

evakuierten zylindrischen Kolben 12, eine unter luftdichter Abdichtung am einen Ende des Kolbens befestigte säulenförmige Anode 18 mit einer gegenüber einer senkrecht zur Mittelachse 13 des Kolbens verlaufenden waagerechten Ebene geneigten Elektronen-Aufprallfläche 16 sowie eine am unteren Ende der

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Anode befestigte, zu deren Kühlung dienende Kühleinrichtung 20 auf. Die Kühleinrichtung 20 umfaßt einen Querdurchgang 22, ein etwa lotrechtes Rohr 24 und einen Längsdurchgang 26. Ein über den Durchgang 22 in das lotrechte Rohr 24 eingeführtes Kühlmittel, wie Wasser, strömt gegen die Rückseite der Anode unter Kühlung derselben, um sodann über den Durchgang 26 nach außen abgeführt zu werden.

Die Röntgenstrahlröhre 10 weist weiterhin ein aus Beryllium bestdiendes, für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster 32 auf, das an der Seitenwand des Kolbens 12 mittels eines Anbauflansches 30 nahe der Elektronenaufprallfläche 16 befestigt ist

Gemäß Fig.2 ist die Elektronen-Aufprallfläche 16 der säulenförmigen Anode 18 elliptisch. Bei den bisher üblichen Vorrichtungen dieser Art liegt der Mittelpunkt Oi des Übertragungsfensters (durch eine imaginäre Linie in Fig.2 angedeutet) normalerweise auf einer Ebene 36, welche die Hauptachse 34 dieser elliptischen Fläche und die Längsachse 13 einschließt In diesem Fall kann die Ebene 36 als eine lotrechte Symmetrie-Mittelebene betrachtet werden, wie sie — von einer Aufprallfläche 16 unmittelbar gegenüberliegenden Position aus betrachtet — genau wie eine mit der Achse 13 zusammenfallende lotrechte Linie erscheint Bei der Röntgenstrahlröhre 10 liegt dagegen der Mittelpunkt . Oi des Fensters 32 nicht auf der Symmetrie-Mittelebene 36, sondern auf einer unter einem Versatzwinkel θι gegenüber dieser Ebene 36 versetzten Ebene. Ein Elektronen emittierender Kathoden-Heizfaden 38 verläuft dabei in einer Linie mit der Hauptachse 34 der Elektronen-Aufprallfläche 16.

Bei der bekannten Röntgenstrahlröhre liegt der Mittelpunkt O\ des Fensters auf einer waagerechten Ebene, die gemäß F i g. 3a und 3b durch die Anodenfangelektrode bzw. die Elektronen-Aufprallfläche hindurchgeht. Bei der vorliegenden Konstruktion wird dagegen die Intensität der Sekundärelektroden verringert ohne daß dies zu einer wesentlichen Verringerung der Intensität der Röntgenstrahlungsverteilung führen würde. Aus diesem Grund ist der Mittelpunkt Oi des für die Röntgenstrahlung durchlässigen Fensters 32 gegenüber der lotrechten Symmetrie-Mittelebene 36 so versetzt angeordnet, daß die Erwärmungstemperatur dieses Fensters herabgesetzt wird. Es kann gesagt werden, daß die Anode 18, nicht aber der Mittelpunkt Oi des Fensters 32 in bezug auf die lotrechte Mittelebene verdreht ist. Die Intensitätsverteilung der Sekundärelektronen ist in Richtung einer senkrecht auf der Aufprallfläche 16 der Anode stehenden Linie am größten und nimmt entsprechend dem Kosinussatz mit zunehmendem Winkel von der senkrechten Linie entsprechend ab. Dieser Ort gibt eine praktisch kugelförmige, achssymmetrische Verteilung in bezug auf die senkrechte Linie, wenn er gegen einen der Intensität entsprechenden Vektor aufgetragen wird. Wenn andererseits die Röntgenstrahlungsintenaität in allen Richtungen gegen einen der Intensität entsprechenden Vektor aufgetragen wird, zeigt der Ort eine achssymmetrische Verteilung gegenüber der senkrecht zur Anode stehenden Linie. Aufgrund von Versuchen ist bekannt, daß ein solcher Ort eine sog. birnenförmige Kontur ergibt, die in der Nähe der Elektronen-Aufprallfläche ausgebeult ist. In den F i g. 3a und 3b sind die Röntgenstrahlung-Intensitätsverteilung in ausgezogenen Linien und die Intensitätsverteilung der Sekundärelektronen in strichpunktierten Linien eingezeichnet.

Wenn der Neigungswinke¹ Φ der Elektronen-Auf

prallfläche 16 in bezug auf die lotrechte Mittelebcne 36 mit 26° angegeben ist verläuft die Sekundärelektronenintensität auf der waagerechten Ebene (wie erwähnt, liegt der Mittelpunkt Ox des Fensters 32 auf der lotrechten Mittelebene) durch den Mittelpunkt C der Anode 18. Die Sekundärelektronenintensitlt verringert sich um den Faktor 0,438 ihres Höchstwerts m Richtung der senkrecht auf der Elektronen-Aufprallfläche stehenden Linie. Wenn die Anode 18 gegenüber der lotrechten

ίο Mittelebene um 30° und 60° verdreht wird, betragen die Sekundärelektronenintensitäten das 0380fache bzw. das 0,219fache, wobei die Relativintensitäten im Vergleich zu dem Wert von 0,438 im nicht verdrehten Zustand einen starken Abfall auf 863% bzw. 50,0% zeigen. Wie aus Fi £.4 hervorgeht kann folglich die relative Erwärmungstemperatur des Fensters auf etwa 83% bzw. etwa 40% verringert werdea Aus Fig.3b, in welcher Φ und θ den Neigungswinkel der Elektronen-Aufprallfläche bzw. den Versatz- oder Verdrehwinkel der Anode 18 bedeuten, läßt sich ein Winkel ψ, den die Hauptachse der Anode gegenüber der waagerechten Ebene einnimmt, nach folgender Gleichung bestimmen (vgl. F ig. 3c):

y· = COS"

I +tan²«,

Bei Φ -26° und θ -30° beträgt der Winkel ψ etwa 22° 19', wobei die Röntgenstrahlungsintensität im

.» Vergleich zu derjenigen bei φ—Φ — 26° etwa 99% beträgt Bei Φ -26° und Θ, -60° beträgt der Winkel ψ etwa 12° 40', während die Röntgenstrahlungsintensität im Vergleich zu ψ - Φ - 26° etwa 85% beträgt

Wenn die Anode 18, wie erwähnt um 30—60° zur

)i lotrechten Mittelebene 36 verdreht wird, kann die Relativintensität der Sekundärelektroden stark verringert werden, während dies mit keiner nennenswerten Verringerung der Relativintensität der Röntgenstrahlung verbunden ist (vgl. F i g. 3b). Infolgedessen kann die relative Erwärmungstemperatur des Fensters erheblich herabgesetzt werden. Durch Vergrößerung des Verdrehwinkels θ ι können also die Relativintensität der Sekundärelektronen und die relative Erwärmungstemperatur am Fenster stark verringert werden. Da

-r, andererseits auch die Relativintensität der Röntgenstrahlung etwas abnimmt, sollte der Verdreh winkel θ ι vorzugsweise im Bereich von 30—60° liegen, um die vom praktischen Standpunkt erforderliche Relativintensität der Röntgenstrahlung zu gewährleisten. Der

V) Verdreh winkel θ ι ist hierbei auf die Elektronen-Aufprallfläche bezogen. Bei einem normalen Neigungswinkel im Bereich von Φ -20—30° sollte dieser praktisch dem Verdrehwinkel θ₂ auf der waagerechten Ebene entsprechen.

γ, Wie vorstehend erläutert, liegt bei der Röntgenstrahlröhre der Mittelpunkt des für Röntgenstrahlung durchlässigen Fensters in einer außermittigen, relativ zur lotrechten Symmetrie-Mittelebene der Elektronen-Aufprallfläche versetzten Position, so daß die Relativ-

M) menge der von dieser Aufprallfläche ausgehenden, auf das Übertragungsfenster auftreffenden Sekundärelektronen herabgesetzt werden kann und dadurch der Temperaturanstieg am Übertragungsfenster verringert wird. Hierbei wird die relative Intensität der Röntgende Strahlung nur um einen kleinen Betrag gegenüber dem relativen Höchstwert verringert, so daß die Eingangsleistung der Röntgenstrahlröhre unter Verhinderung eines Temperaturanstiegs am Fenster erhöht werden kann.

Hierdurch wird die Verwendung eines dünneren Fensters ermöglicht, und der Wirkungsgrad bzw. die Wirksamkeit der Elementanregung wird erhöht, so dai der Anwendungsbereich der Röntgenstrahlröhre erweitert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patenunspruch:

   Röntgenröhre mit ortsfester Anode (18), bestehend aus einem evakuierten Kolben (12), einer an einem Ende des Kolbens angeordneten Anode (IS) mit einer Elektronenaufprallfliche (16), die gegenüber der Waagerechten, senkrecht zur zentralen Längsachse der Anode (18) stehenden Ebene geneigt ist, aus einem in der Seitenwand des Kolbens (12) neben der Anode angeordneten, für Röntgenstrahlen durchlassigen Fenster (32), und einer am anderen Ende des Kolbens angeordneten Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des Fensters (32) gegenüber der lotrechten Symmetrie-Mittelebene (36) der Elektronenaufprallfliche (16) in Umfacgsrichtung im Bereich von 30° bis SO" versetzt angeordnet ist