-
RÖNTGENRÖHRE
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre, insbesondere
auf eine hochfokussierende Röntgenröhre, die in der Lage ist, sehr kleine Strahlenpunkte
mit einer hohen Elektronenbrillianz zu erzeugen.
-
Hochfokussierende Röntgenröhren finden zunehmende Anwendung in der
Industrie, der Medizin und der Wissenschaft. Von den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten
seien aufgeführt: Röntgenlithografie in der Mikroelektronik-Industrie, zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung in der metallurgischen Industrie, Diagnose von Tumoren in der Medizin,
z.B. Frühdiagnose des Brustkrebses.
-
In der Vergangenheit wurde eine ganze Anzahl von hochfokussierenden
Röntgenröhren entwickelt, die jetzt noch in Gebrauch sind, die aber nicht in jeder
Hinsicht zufriedenstellend sind.
-
Die meisten der bekannten Röntgenröhren erzeugen nämlich Strahlpunkte
in der Grössenordnung von 160 - 750 mikron; bei manchen Anwendungsfällen wäre es
aber sehr wünschenswert, noch kleinere Strahlpunkte zur Verfügung zu haben, nämlich
mit einem Durchmesser von 100 mikron oder weniger. Andere bekannte Röntgenröhren
erzeugen kleine Strahlpunkte in dieser Grössenordnung, die jedoch keine Brillianz
besitzen. Wieder andere Röntgenröhren,
die kleine Strahlpunkte mit
hoher Brillianz erzeugen, sind sehr kompliziert und teuer in der Herstellung, benötigen
in der Regel schwere Magnete zur Erzeugung von magnetischen Feldern und/oder bedürfen
einer speziellen Geometrie in der Elektrodenanordnung für jede gesonderte Anwendung.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochfokussierende
Röntgenröhre zu schaffen, die hinsichtlich der oben aufgeführten Problemen eine
deutliche Verbesserung bringt und die Vorteile gegenüber den bekannten Röntgenröhren
bietet. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochfokussierende
Röntgenröhre zu schaffen, die in der Lage ist, sehr kleine Strahlpunkte mit hoher
Elektronenbrillianz zu erzeugen, die gleichzeitig einen einfachen und kompakten
Aufbau besitzt und die innerhalb eines breiten Bereiches hinsichtlich Betriebsspannung,
Strömen und Strahlpunktabmessungen betrieben werden kann, je nach speziellem Anwendungsgebiet.
-
Die Erfindung geht von einer Röntgenröhre der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 bezeichneten Art aus. Bei einer solchen Röhre werden die Erfindungsaufgaben durch
die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gegebenen Merkmale gelöst.
-
Bei dem in der Folge beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei weitere
Elektroden vorgesehen, nämlich noch eine dritte,
mit Öffnungen versehene
Elektrode, die vor der zweiten Elektrode angeordnet ist und die mit einem Potential
beaufschlagt ist, um eine weitere Fokussierung des Elektronenstrahls zu bewirken,
sowie eine vierte, mit Öffnungen versehene Elektrode, die vor der dritten Elektrode
angeordnet ist und die mit einem Potential beaufschlagt ist, um eine noch weitergehende
Fokussierung des Elektronenstrahls zu bewirken.
-
Es geht daraus hervor, dass im Gegensatz zu konventionellen Röntgenröhren,
bei denen eine Elektronenkanone für übliche Kathodenstrahlröhren verwendet wird,
eine Kathodenanordnung mit einer Vorratskathode und einer als gelochte Elektronenkanone
ausgebildete Fokussierelektrode Verwendung finden, die die Vorratskathode umgibt.
Eine solche gelochte Elektronenkanone wird üblicherweise in Mikrowellenröhren angewandt,
hauptsächlich, um eine laminare Strömung zur Vermeidung von Elektronenrauschen zu
erzeugen; ein Fokussieren des Elektronenstrahls zu einem kleinen Punkt ist in jener
Anwendung nicht erforderlich. Die gelochte Elektronenkanone als Fokussierelektrode
fokussiert den Elektronenstrahl auf ungefähr die Hälfte oder einen Drittel seines
ursprünglichen Durchmessers, was für eine hochfokussierende Röntgenröhre natürlich
viel zu wenig ist. Im vorliegenden Fall, mit der neuartigen Röntgenröhre gemäss
der vorliegenden Erfindung, wird die gelochte Elektronenkanone dazu verwendet, einen
Elektronenstrahl mit hoher, gleichmässiger Stromdichte
und mit hoher
Brillianz zu erzeugen. Ausserdem ist ein Elektrodensystem vorgesehen, in gewisser
Hinsicht ähnlich zu einem solchen, wie es in Elektronenmikroskopen Verwendung findet,
um den Elektronenstrahl weiter zu fokussieren, bevor er auf die Fanganode auftrifft.
Während also eine konventionelle, gelochte Elektronenkanone von Mikrowellenröhren
den Elektronenstrahl bezüglich seines Durchmessers auf etwa die Hälfte oder einen
Drittel des Anfangsdurchmessers verringert, ist die Röntgenröhre gemäss der vorliegenden
Erfindung in der Lage, eine Durchmesserverringerung auf etwa einen Sechzehntel oder
noch weniger des Anfangsdurchmessers zu gewährleisten.
-
Wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird, können mit dem
erfindungsgemässen Vorschlag hochfokussierende Röntgenröhren erzeugt werden, die
einen Strahlpunkt mit sehr geringem Durchmesser (in der Grössenordnung von 40 mikron)
und mit sehr hoher Elektronenbrillianz zu liefern imstande sind. Gleichzeitig eignen
sich diese Röhren für einen Einsatz in einem weiten Bereich von Spannung, Strom
und Strahlpunkt-Abmessung, je nach vorgesehenem Anwendungsgebiet. Ein weiterer Vorteil
ist darin zu sehen, dass die Konstruktion der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Röhre
sehr einfach und kompakt ist, da sie keine Magnete oder komplizierte Elektrodensysteme
spezieller geometrischer Konfiguration erfordert.
-
Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen aus
der nachstehenden Beschreibung hervor.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform der
erfindungsgemässen Röntgenröhre, und Fig. 2 einen detaillierten Längsschnitt in
vergrössertem Maßstab durch die Elektronenkanone der Röhre von Fig. 1.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenröhre umfasst ein evakuiertes
Gehäuse, z.B. aus Glas oder Keramik, welches am einen Ende eine Elektronenkanonen-Anordnung
3 und am anderen Ende eine Anodenanordnung aufnimmt, welche die Fanganode 4 umfasst,
die vom Elektronenstrahl getroffen wird und dabei Röntgenstrahlen erzeugt, die durch
ein Fenster 5 aus der Röhre austreten können. Die Elektronenkanonen-Anordnung 3
ist deutlicher in Fig. 2 dargestellt und wird weiter unten noch näher beschrieben
werden. Die Anodenanordnung kann von bekannter Konstruktion sein, in der die Fanganode
4 durch eine Wolfram-beschichtete Kupferkonstruktion gebildet ist, die hohl ausgebildet
ist, so dass eine Kühlflüssigkeit, wie z.B. Oel, durch diese zirkulieren
kann.
Das Fenster 5 der Röhre kann ebenso in bekannter Weise ausgeführt sein, z.B. aus
Berryllium. Die von der Fanganode 4 erzeugten Röntgenstrahlen durchlaufen einen
defokussierenden Faraday-Käfig 6, bevor sie aus dem Fenster 5 austreten, wie es
bei bekannten Konstruktionen von Röntgenröhren ebenfalls üblich ist.
-
Die Ausbildung der Elektronenkanonen-Anordnung 3 hingegen unterscheidet
sich von bekannten Lösungen und ist in der Fig. 2 im Detail dargestellt. Demgemäss
umfasst sie eine Kathodenanordnung mit einer Vorratskathode 10, die eine Elektronen
aussendende Oberfläche 11 aufweist. Von dieser aus wird ein Elektronenstrahl mit-hoher,
gleichmässiger Stromdichte und hoher Brillianz abgestrahlt. Die Kathode 10 wird
durch einen Heizwendel 12, der über Drähte 13 mit elektrischem Strom versorgt wird,
indirekt geheizt.
-
Die Strahlungsfläche 11 (d.h. die die Elektronen abstrahlende Oberfläche)
der Vorratskathode 10 wird durch eine gelochte Elektrode 14 umgeben, also eine sog.
Lochkanone, die eine Ausbildung hat, welche ein Sammeln des Strahles zur Erzeugung
eines anfänglichen Fokussiereffektes beim Elektronenstrahl bewirkt. Demzufolge ist
die Strahlungsfläche 11 der Kathode von kreisrunder Gestalt, um einen Strahl mit
kreisförmigem Querschnitt auszusenden. Die Elektrode 14, die auf dem Potential
der
Kathode liegt, besitzt konkave Gestalt, um den Strahl im Durchmesser auf die Hälfte
oder einen Drittel seines ursprünglichen Durchmessers beim Austritt aus der Strahlungsfläche
11 zu verkleinern; dieser Effekt tritt auch bei der bekannten Anordnung mit gelochten
Elektronenkanonen auf.
-
Allerdings unterscheidet sich die Anordnung gemäss der vorliegenden
Erfindung von einer konventionellen gelochten Elektronenkanone dadurch, dass zwischen
der Fokussierelektrode 14 and der Fanganode 4 (Fig. 1) drei weitere, mit Öffnungen
versehene Elektroden vorgesehen sind, nämlich: - Eine mit Öffnungen versehene Elektrode
15 liegt unmittelbar vor der gelochten Fokussierelektrode 14 und wird mit einem
Potential beaufschlagt, dessen Höhe den Strom des Elektronenstrahls steuert.
-
- Eine mit Öffnungen versehene Elektrode 16 liegt unmittelbar vor
der Elektrode 15 und wird mit einem Potential beaufschlagt, um den Elektronenstrahl
weiter zu fokussieren.
-
- Eine Elektrode 17, die einen ebenen Bereich 17a und einen Strahlfokussierbereich
17b aufweist, liegt unmittelbar vor der Elektrode 16 und wird mit einem Potential
beaufschlagt, und den Elektronenstrahl noch weiter zu fokussieren.
-
Die elektrischen Verbindungen zu den Elektroden 15, 16 und 17 sowie
zur Kathodenanordnung, inklusive Heizwendel 12, erfolgen
über Leiterstifte
20, die im Boden der Röhre, diesen durchdringend, angeordnet sind. Zusätzlich ist
die Kathodenanordnung einerseits mit einer inneren Konvektions-Wärmeabschirmung
21 und andererseits mit einer äusseren Strahlungsabschirmung 22 versehen; beide
bestehen aus Metall und sind von bekannter Konstruktion.
-
Bei der in den Zeichnungen beispielsweise dargestellten Ausführung
besitzt die Strahlunsfläche 11 der Vorratskathode 10 einen Durchmesser von 1 bis
2 mm. Die Ausbildung der gelochten Fokussierelektrode 14 ist so gewählt, dass der
Durchmesser des Elektronenstrahles auf ungefähr die Hälfte reduziert wird. Die Elektrode
15 ist in einem Abstand von 0.8 - 1.22 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 1.0
mm vor der Elektrode 14 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen 200 und
1500 V, um den Strom im Elektronenstrahl zu steuern. Die Elektrode 16 ist in einem
Abstand von 1.6 - 2.4 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 2.0 mm vor der Elektrode
15 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen 800 und 1500 V, um auf den Elektronenstrahl,
der durch ihre Öffnung hindurchtritt, eine fokussierende Wirkung auszuüben. Die
Elektrode 17 ist in einem Abstand von 1.6 -2.4 mm, vorzugsweise in einem Abstand
von 2.0 mm vor der Elektrode 15 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen
1000 und 5000 V, um auf den Elektronenstrahl eine noch weitergehende, fokussierende
Wirkung auszuüben. Damit ist der Durchmesser
des schlussendlich
austretenden Elektronenstrahls auf einen Sechzehntel oder weniger gegenüber dem
ursprünglichen Durchmesser verringert, d.h. gegenüber dem Durchmesser beim Austritt
aus der Strahlungsfläche 11 der Vorratskathode 10.
-
Die Spannung zwischen Anode und Kathode kann im Bereich zwischen 5
kV und 100 kV liegen, und der Elektronenstrom kann zwischen 2 mA und 20 mA liegen.
In Versuchen hat man festgestellt, dass eine solche Röhre Punktabbildungen mit einem
Durchmesser zwischen 40 mikron und 1500 mikron erzeugen kann, mit einer 2 Elektronenstrahl-Brillianz
(B) von 100 kW/mm2, wobei als Lebensdauer der Röhre eine Betriebszeit von 1000 h
zu erwarten ist. Eine solche hochfokussierende Röntgenröhre hat sich insbesondere
bei der Frühdiagnose von Brustkrebs als äusserst wertvoll erwiesen.
-
Die Röntgenröhre gemäss der vorliegende Erfindung wurde anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es versteht sich, dass im Rahmen
der Erfindung zahlreiche Variationen und Anwendungen denkbar sind. So kann z.B.
der Winkel der gelochten Fokussierelektrode 14 geändert werden, beispielsweise zur
Vergrösserung ihrer Fokussierwirkung bei einer bestimmten Anwendung. Ausserdem können
die zur Anwendung gelangenden Spannungen vergrössert werden, indem die Abmessungen
der Röhre entsprechend angepasst werden.
-
Zahlreiche weitere Variationen, Modifikationen und Anwendungen sind
dem mit der Materie vertrauten Fachmann klar.
- Leerseite -