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Verfahren zur Herstellung von Röntgenstrahlen hoher Durchdringungsfähigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Röntgenstrahlen hoher Durchdringungsfähigkeit.
Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Herstellung von Röntgenstrahlen hoher Durchdringungsfähigkeit
sich eines veränderlichen, zur Beschleunigung und Führung der Elektronen dienenden
Magnetfeldes zu bedienen. Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art nimmt die Intensität
des Magnetfeldes von der Mitte nach dem Rand hin zu, was zur Folge hat, daß die
Leistungsfähigkeit derartiger Apparaturen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen begrenzt
ist.
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Ein Elektron bewegt sich mit geringer Geschwindigkeit in einem homogenen
Magnetfeld im Hochvakuum auf einer Kreisbahn. Durch Steigerung des Magnetfeldes
wird der Krümmungsradius der Elektronenbahn verkleinert. Gleichzeitig wird das Elektron
durch die bei der magnetischen Feldänderung auftretenden elektrischen Wirbelfelder
zusätzlich beschleunigt. Diese Beschleunigung des Elektrons wirkt der Verkleinerung
des Krümmungsradius durch die Steigerung des magnetischen Feldes entgegen, ohne
sie jedoch zu kompensieren. Die Geschwindigkeit des Elektrons nimmt so lange zu,
als das Magnetfeld a nw, iichst. Es zeigt sich, daß die in Volt geinessenen Geschwindigkeiten
des Elektrons zu Beginn und zu Ende der Magnetfeldsteigerang sich direkt proportional
den dabei verwendeten Magnetfeldern verhalten, wenn man von den relativistischen
Massenänderungen des Elektrons absieht.
Mit Berücksichtigung der relativen Massenänderungen ergibt sich:
darin bedeutet m, die Masse des Teilchens bei kleinen Geschwindigkeiten. Für ein
Elektron folgt zahlenmäßig
wenn man die Energie in Volt (V, und L') und die Magnetfelder in Gauß (Ho und H
) mißt. Bemerkenswert ist, daß die Geschwindigkeit der Flußänderung in das Endresultat
nicht mehr eingeht, sondern nur Anfangs-und Endfeldstärken.
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Unter Berücksichtigung der beschriebenen Verhältnisse wird bei der
Erzeugung von
Röntgenstrahlen extrem hoher Energie so verfahren,
daß durch Ausnutzung eines elektrischen Wirbelfeldes bei magnetischen Flußänderungen
Elektronen hoher Geschwindigkeit (äquivalent einige Millionen Volt) mit;-, verhältnismäßig
einfachen Mitteln erzeuf:' «-erden können, ohne daß in der zur Erzeugung der Elektronen
verwendeten Vorrichtung irgendwelche hochspannungführenden Teile vorkommen. In dem
nachstehend angeführten Zahlenbeispiel werden die quantitativen Möglichkeiten näher
behandelt.
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Die Wirkungsweise einer solchen Anordnung ist folgende: Die dem Elektron
auf seinen zahlreichen Kreisbahnen zusätzlich erteilte Geschwindigkeit ist gleich
der Spannung in einem Transformator mit einer Windungszahl, die gleich ist der Anzahl
der Umläufe des Elektrons. Wird das magnetische Feld rasch gesteigert, so wandert
das Elektron rasch nach innen, d. h. mit wenig Umläufen. Der Ersatztransformator
hat also nur wenig Sekundärwicklungen, jedoch eine starke zeitliche Flußänderung
und darum eine hohe Spannung. Wird das Magnetfeld dagegen langsam gesteigert, so
muß das Elektron sehr zahlreiche Umläufe machen, ehe die Feldänderung beendet ist.
Der Ersatztransformator hat eine sehr hohe Sekundärwicklungszahl, dafür eine kleine
zeitliche Flußänderung. Die in beiden Fällen erreichte Spannung ist unter dem Einfluß
dieser sich aufhebenden Wirkungen unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des
Magnetfeldes.
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Zur Erläuterung des vorerwähnten Problems dient die Zeichnung, die
die Pole eines Magneten zeigt, zwischen denen bei i .die Elektronenebene liegt.
Sobald ein in der Elektronenebene befindliches Elektron nach rechts oder links aus
seiner Ebene herausfliegt, gerät es in Gebiete mit radialen Magnetfeldkomponenten,
die es wieder in die anfängliche Mittelebene zurücktreiben.
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Nimmt man beispielsweise einen Anfangskrümmungsgrad der Elektronenbahn
von io cm an und ein Anfangsfeld N9 von 5o Gauß, so muß in diesem Feld das Elektron
anfänglich in bekannter Weise mit einer Spannung VQ = 22 kV beschleunigt worden
sein. Steigert man nun das Magnetfeld auf H = 65oo Gauß, so beträgt die dem Elektron
hierdurch @erteilte Geschwindigkeit nach der Formel (3) V = 1300 00o Volt.
Hätte man den gleichen Magneten bis zur Sättigung H = i4ooo Gauß erregt und bereits
anfänglich Elektronen von 50 kV Geschwindigkeit verwendet, so hätte man nach
der Formel (3) sogar Elektronen von einer Geschwindigkeit h = 2 700 000 Volt
erwarten müssen. Für die ,praktische Ausführung ist eine möglichst rasche Änderung
des Feldes erwünscht, damit die Elektronenbahn möglichst kurz wird und daher möglichst
wenig Elektronen durch Zusammenstöße mit Aasmolekülen abgefangen werden. Erregt
@z ü? ri das Magnetfeld mit 5operiodischem :W,liselstrom, so erfolgt die Magnetfeldsteigerüng
von o auf seinen Scheitelwert in 5 bis ro-@ Sek. Das bedingt ein mit den heutigen
Mitteln noch erreichbares Vakuum von etwa 7 - io-7 mm Hg. Damit das Elektron bei
seinen zahlreichen Umläufen nicht aus seiner anfänglichen Ebene herausfliegt, kann
ein etwas inhomogenes Magnetfeld verwendet werden, in der Weise, daß das Magnetfeld
in der anfänglichen Elektronenebene schwächer ist als an den benachbarten Stellen.
Dabei gerät das Elektron in radiale Komponenten des Magnetfeldes, die elektrodynamische
Kräfte auf das fliegende Elektron ausüben, welche das Elektron wieder in die Mittelebene
zurücktreiben. Diese Inhomogenität des Magnetfeldes stabilisiert also die Elektronenbahn
in der Mittelebene und verhindert damit, daß das Elektron vorzeitig an irgendwelche
Wandungen des Gefäßes fliegt.
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Sollen nicht nur einmalig, sondern fortgesetzt rasche Elektronen entstehen,
so wird zweckmäßig das Magnetfeld durch Wechselstrom erzeugt. Für das durchgerechnete
Zahlenbeispiel ist dazu ein Magnet mit Polschuhen von io cm Radius und etwa 3 cm
Polschuhabstand erforderlich. Zum Aufbau eines Feldes von 6- bis 7ooo Gauß würde
ein solcher Magnet etwa 9o bis ioo kVA Blindlast verbrauchen (Streuungszuschlag
eingerechnet) bei i;5 kW Kupfer- und etwa i, i kW Eisenverlust (etwa 350
kg Eisen und q.o kg Kupfer). Diese Anordnung könnte dauernd die oben berechneten
43 - ioB-Voltelektronen liefern und in kurzzeitiger Überlastung auch Elektronen
bis etwa 2,5 .bis ioe Volt. Nimmt man einen Emissionsstrom der Glühkathode von i
mA an, von denen etwa i Proz. in den Elektronenstrahl gelangen, berücksichtigt man,
daß nur etwa i Proz. der Elektronen gerade zu Zeiten emittiert werden, in denen
das Magnetfeld Ho 5o Gauß beträgt, und schätzt man den Elektronenverlust durch Zusammenstöße
mit Gasmolekülen auf go Proz., so erhält man einen Strom von etwa io-8 Amp. vollbeschleunigter
Elektronen, entsprechend der P + b - Strahlung von etwa i bis io g Radium.
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Die dauernde Erzeugung rascher Elektronen von 1,3 - iog Volt auf dem
angegebenen Wege ist also heute mit relativ geringen Mitteln in ausreichender Intensität
möglich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also bei der Herstellung von
Röntgenstrahlen hoher Durchdringungsfähigkeit unter Verwendung eines bekannten,
wie oben beschrieben
wirkenden veränderlichen Magnetfeldes so verfahren,
daß das Magnetfeld von der Mitte nach dem Rand hin abfällt und daß in der Bahn der
Elektronen in der Mitte des Magnetfeldes ein Körper angeordnet ist, der durch das
Auftreffen schnellfliegender Elektronen zum Aussenden von Röntgenstrahlen angeregt
wird. Zur Herstellung von Röntgenstrahlen hoher Durchdringungsfähigkeit empfiehlt
es sich, in der Bahn der Elektronen eine kleine Wolframkugel anzuordnen. Das Magnetfeld
und die dieses erzeugenden Elektroden werden vorteilhaft so angeordnet und bemessen,
daß die Elektroden jeweils beim Maximum des Stromes oder etwas vorher den Röntgenstrahlen
emittierenden Körper erreichen. Es empfiehlt sich, für eine möglichst schlagartige
Emission der Röntgenstrahlen den Magneten durch einen kurzen, aber sehr starken
Stromstoß zu speisen und die Anordnung so zu bemessen, daß die Elektronen beim Maximum
des Stromes oder etwas vorher die Wolframkugel erreichen. Es ist aber auch möglich,
für stationäre Betriebe den Magneten mit normalen technischen, beispielsweise 5operiodischen
Wechselströmen zu speisen. Je nach der Bemessung und der Stärke des Magnetfeldes
lassen sich mit der neuen Anordnung spiralig verlaufende Elektronenstrahlen von
sehr unterschiedlichen und leicht einstellbaren Geschwindigkeiten einstellen, so
daß man Röntgenstrahlen erhält, die zwischen sehr kurzer und sehr langerWellenlänge
bequem einstellbar sind. Von besonderem Vorteil ist es, daß bei dem neuen Verfahren
keinerlei Hochspannung benötigtwird, sondern daß man mit einfachen und gefahr-1osten
elektrotechnischen Mitteln auskommt.