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Einrichtung zum Betriebe von Röntgenröhren mit sich gegenseitig durch
Elektronenaufprall auf Elektronenemissionstemperatur heizenden Elektroden. Röntgenröhren
mit Glühelektroden für Wechselstrombetrieb bedürfen besonderer Einrichtungen, um
in stabilem Zustande gehalten zu werden. Derartige Röhren bestehen in ihrer einfachsten
Form aus zwei in einem sehr hoch ausgepumpten Glasgefäß eingeschmolzenen, durch
elektrische Heizung in Glut versetzbaren Drähten aus Metall hohen Atomgewichts.
So-, bald bei einer solchen Röhre die beiden Glühdrähte mit Hilfe einer angeschlossenen
Batterie angeheizt sind, und die Wechselstromquelle eingeschaltet wird, wirkt in
einer Phase der eine Glühdraht als Kathode, der andere als Antikathode und in der
nächsten Phase umgekehrt.
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Dementsprechend hat eine derartige Röntgenröhre nicht mehr eine, sondern
zwei Ausgangsstellen für die Röntgenstrahlen und ist infolgedessen hauptsächlich
für Therapiezwecke geeignet.
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Die gegenseitige Beschießung der Drähte mit Elektronen bedingt eine
wesentliche Energiezufuhr.
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Deshalb muß die Heizbatterie; sobald der Röntgenbetriebstrom einsetzt;
abgeschaltet oder der Heizstrom wenigstens durch Widerstände geschwächt werden.
Die Einrichtung bleibt aber trotzdem noch unstabil. Wenn nämlich z. B, die Anfangstemperatur
der Elektroden so groß ist, daß bereits eine gewisse Elektronenemission i vorhanden
ist und die Elektroden an den Polen eines unmittelbar ans Netz gelegten Transformators
(effektive Spannung dauernd gleich E,) liegen, so ist nur dann Gleichgewicht zwischen
Strahlung Q und der durch Elektronenaufprall freigemachten Energie vorhanden, wenn.
Die Größen i und Q sind Funktionen der Temperatur T, und zwar ist
Hierin sind a, n, a; b Materialkonstanten, e ist die Basis des natürlichen
Logarithmensystems. Q und i sind auf einen cm2 bezogen.
Q nimmt nun mit steigender Temperatur sehr viel weniger zu als i. Daraus
folgt, daß bei konstant bleibender Spannung Eo die Anordnung nicht stabil sein kann.
Jede Temperaturerhöhung hat z. B. eine erhebliche Strömzünahme zur Folge. Da Eo
konstant gehalten wird, nimmt daher auch die Leistung zu, die an den Elektroden
in Wärme umgesetzt wird. Dieser Zunahme der Leistung
steht aber
eine geringere Zunahme der Ausstrahlung der Elektroden gegenüber. Der Überschuß
der zugeführten Leistung über die Strahlung muß daher die Elektroden erwäi tuen,
steigert ihre Elektronenemission und damit die Leistung abermals. Infolgedessen
muß in kürzester Zeit Zerstörung der Elektroden durch Abschmelzen eintreten.
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Umgekehrt muß eine Temperaturerniedrigung zu schneller Abnahme der
Temperatur und damit zur völligen Stromlosigkeit der Röhre führen.
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Das Kriterium für die stabile Anordnung ist, graphisch dargestellt,
daß die Kurve, welche die Strahlung als Funktion der Temperatur darstellt, steiler
verläuft als die Kurve, welche die an den Elektroden frei werdende Leistung als
Funktion der Temperatur darstellt. Ist diese Bedingung erfüllt, so übertrifft bei
jeder Temperatursteigerung über den Gleichgewichtspunkt hinaus die Ausstrahlung
die zugeführte Leistung. Die Elektroden kühlen sich daher ab, d. h. die Temperatursteigerung
geht zurück. Umgekehrt übertrifft bei einer eintretenden Temperaturverringerung
die zugeführte Leistung die Strahlung, es findet also wieder eine gesteigerte Erwärmung
der Elektroden statt.
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Analytisch ausgedrückt lautet die Stabilitäts- , bedineune I
Diese Bedingung ist erfüllbar, wenn vor die Röhre ein Widerstand geschaltet wird.
Ist seine Größe R, so ist der in ihm eintretende Spannungsverlust R i. Die Spannung
des Strom liefernden Generators sei konstant gleich Eo. Die an den Elektroden liegende
Spannung wird daher E-Eo__Rii demnach gilt
und die Stabilitätsbedingung wird
| Daraus folgt, wenn durch ddividiert wird, |
| T |
Das erste Glied dieser Ungleichung läßt sich aus den obengenannten Beziehungen für
Q und
i
ausrechnen. Das Einsetzen' der Zahlenwerte ergibt, daß der
Wert des Bruches zwischen Null und einigen Hundertsteln liegt. Da Zähler und Nenner
beide positiv sind, ist er unter allen Umständen positiv, er kann daher gegen E,
vernachlässigt werden. Die Ungleichung wird dadurch höchstens verstärkt.
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Es folgt daher als ausreichende Bedingung für die Stabilität
d. h. es ist ausreichend, vor die Röhre einen Widerstand zu schalten, dessen Spannungsabfall
bei der gewünschten Betriebsstromstärke größer ist als die Hälfte der Generatorspannung.
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In der Praxis wird der Widerstand zweckmäßig nicht auf der Hochspannungsseite,
sondern auf der Primärseite des die Röhre betreibenden Transformators angeordnet.
Es ist leicht ersichtlich, daß ein Widerstand im Primärkreise in bezug auf stabilisierende
Wirkung einem im Sekundärkreise vor die Röhre geschalteten Widerstand gleichwertig
ist.
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Dementsprechend besteht die Einrichtung zum Betriebe derartiger Röntgenröhren
erfindungsgemäß darin, daß entweder vor die Röhre in den Hochspannungskreis oder
vor die Primärspule des die Röhre betreibenden Transformators ein Stabilisierungswiderstand
geschaltet wird, der einen Spannungsabfall von solcher Größe bewirkt, daß die obengenannte
Ungleichung
erfüllt ist.
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In der Abb. i ist die der Erfindung ent sprechende Schaltung einer
Glühkathoden Rönt genröhre für den Fall dargestellt, daß de: Widerstand auf der
Primärseite liegt.
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i ist die Röntgenröhre mit den beiden einander gegenüberliegenden
glühenden Elektrodenplat ten z. Beide Platten sind unmittelbar mit der Enden der
Sekundärspule 3 verbunden. Die Primärspule q. ist über den Widerstand 5 an den Wechselstromgenerator
6 angeschaltet.
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Eine Steigerung der Röhrenspannung erfolgt zunächst dadurch, daß der
Widerstand 5 verkleinert wird, jedoch darf diese Verkleinerung -entsprechend den
obigen theoretischen Ausführungen - nicht unter eine gewisse Grenze gehen. Ist diese
Grenze erreicht, so muß eine weitere Vergrößerung der Röhrenspannung durch Steigerung
der Spannung des Generators 6 unter gleichzeitiger Vergrößerung des Widerstandes
5 erfolgen, und zwar muß diese Vergrößerung stets derart erfolgen, daß die Stabilitätsbedingung
nach wie vor erfüllt bleibt.
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Der Widerstand 5 braucht kein Ohmscher, sondern kann auch ein induktiver
Widerstand
sein. An Stelle des Generators 6 kann vorteilhaft ein
Transformator treten, dessen Primär-Seite an einem Wechselstromgenerator oder an
dem Netz liegt, und dessen Übersetzungsverhältnis regelbar ist.
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Die Regelung des Generators 6 oder des an seine Stelle tretenden Transformators
und die des Widerstandes 5 erfolgt zweckmäßig so, da.ß die Schaltvorrichtungen zwangläufig
miteinander verbunden sind und es unmöglich ist, eine Spannungserhöhung vorzunehmen,
ohne gleichzeitig den Widerstand entsprechend der Stabilitätsbedingung zu erhöhen.
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Besondere Maßnahmen sind zu treffen, wenn Röhren benutzt werden, deren
Elektroden durch Elektronenaufprall von Hilfselektronenquellen aus angeheizt werden
müssen, um überhaupt leitfähig zu werden. Dies ist z. B. dann der- Fall, wenn als
Elektroden größere Metallplatten angeordnet sind, denen mit durchgeleiteten Strömen
die notwendige Anfangstemperatur praktisch nicht gegeben werden kann. Eine solche
Einrichtung ist beispielsweise in Abb. 2 dargestellt. Hier sind die aus kreisförmigen
Platten aus Wolfram, Tantal o. dgl. bestehenden Elektroden io durch Drähte ii gehalten,
die an einer auf einem Glasrohr i2 der Röhre r sitzenden Metallhülse 13 befestigt
sind. In den Elektrodenplatten io ist je ein Schlitz 14 vorgesehen. Hinter den Schlitzen
14 liegen Glühdrähte 15, deren Halterungs- und Zuleitungsdrähte 16 durch die innere
Quetschung 17 des Glasrohres 12 vakuumdicht mit Abstand hindurchgeführt sind. Die
Glühdrähte 15 und die Elektrodenplatten io stehen durch die Halterungsdrähte ii
und einen diese mit den Zuleitungsdrähten 16 verbindenden Draht 21 miteinander in
leitender Verbindung. Die an die Heizbatterien angeschlossenen Glühdrähte 15 dienen
dazu, die Röhre in Betrieb zu setzen. An die Glühdrähte 15 ist ein Hochspannungswechselstromtransformator
18, i9 gelegt, dessen Primärspule 18 im Stromkreis eines Wechselstromgenerators
9 liegt, in den ein Widerstand 7 eingeschaltet ist, während die Enden der Sekundärspule
19 durch Leitungen 2o mit den. Drähten 15 verbunden sind. Die von dem einen Glühdraht
15 ausgehenden Elektronen werden durch den Schlitz 14 auf die gegenüberliegende
Elektrodenplatte to geworfen, erzeugen dort Röntgenstrahlen und erwärmen die Platte.
Ebenso werden die von dem anderen Glühdraht 15 ausgehenden Elektronen auf die gegenüberliegende
Elektrodenplatte io geworfen. Sobald die Platten p die erforderliche Anfangstemperatur
haben, können die Drähte 15 ausgeschaltet werden. Die Aufrechterhaltung der zur
Elektronenemission der Platten erforderlichen Temperatur erfolgt dann nur noch durch
den gegenseitigen Elektronenaufprall mit Hilfe des die Röhre betreibenden Hochspannungswechselstromes.
Zwischen den. Elektroden io würde jedoch, solange die erforderliche Temperatur noch
nicht erreicht ist, eine sehr viel höhere Spannung herrschen als später beim Betriebe.
Das würde aber die Isolation der Röhre und des sie betreibenden Transformators gefährden.
Diese Schwierigkeit wird dadurch beseitigt, daß zu Beginn. des Betriebes, solange
die Elektroden noch angeheizt werden, der stabilisierende Vorschaltwiderstand ganz
oder zum Teil abgeschaltet und die Generatorspannung vermindert wird, während seine
Einschaltung erst erfolgt, wenn die Elektroden beginnen, Elektronen in hinreichendem
Maße auszusenden.