DE672719C

DE672719C - High-voltage discharge vessel with internal electrodes and directed bundles of electrons, in particular Roentgen tubes

Info

Publication number: DE672719C
Application number: DEM120243D
Authority: DE
Inventors: Albert Bouwers; Jacob Hermannus Van Der Tuuk
Original assignee: CHF Mueller AG
Current assignee: CHF Mueller AG
Priority date: 1932-06-27
Filing date: 1932-06-28
Publication date: 1939-03-09

Description

Hochspannungsentladungsgefäß mit Innenelektroden und gerichtetem Elektronenbündel, insbesondere Röntgenröhre In Entladungsröhren für hohe Spannungen, wie sie in der Röntgentechnik Verwendung finden, tritt häufig der Nachteil auf, daß sich auf der Wand elektrische Ladungen ansammeln, die manchmal zu Zerstörung dieser Wand führen. Es sind verschiedene Mittel bekanntgeworden, um diesen Nachteil zu beseitigen. Das wichtigste Mittel ist die Anordnung von Schirmen um die Entladungsbahn herum und die Schaffung eines Äquipotentialteiles in der Wandung, welche die Entladungsbahn umgibt. Das letzte Mittel hat zu einer bevorzugten Bauart von Röntgenröhren geführt, es gestattet die zylindrische Ausführung der Röhrenwand und macht es möglich, die Spannung, welche zwischen den Elektroden herrscht, gleichmäßig zwischen den beiden Röhrenhälften zu verteilen.High-voltage discharge vessel with internal electrodes and directed electron beam, in particular X-ray tube In discharge tubes for high voltages, such as those in the Find X-ray technology use, the disadvantage often occurs that on the Wall accumulate electrical charges, which sometimes lead to the destruction of this wall. Various means have become known to overcome this disadvantage. That the most important means is the arrangement of screens around the discharge path and the creation of an equipotential part in the wall, which the discharge path surrounds. The last resort has led to a preferred type of X-ray tube, it allows the cylindrical design of the tube wall and makes it possible to use the Voltage that exists between the electrodes, evenly between the two To distribute tube halves.

Auch sind Röntgenröhren bekannt mit einem in der Röhre angeordneten Schutzkörper, welcher die Entladungsbahn umgibt und dazu dient, elektrisch geladene Teilchen von der Glaswand der Röhre fernzuhalten. Solche Schutzkörper können aus Glas oder aus Metall bestehen. Im letzten Fall sind sie meistens an einer der Elektroden befestigt, oder es sind beide Elektroden mit Ansätzen versehen, die einander überlappen können. Werden die Röhren mit sehr hohen Spannungen (zoo kV und höher) betrieben, so macht sich auch bei Anwendung der bisher bekannten Mittel die schädliche Wirkung der aus der eigentlichen Entladungsbahn heraustretenden elektrisch geladenen Teilchen wieder geltend. Die auf den Schirmen sich bildenden Ladungen verursachen Funkenerscheinungen in der Röhre, welche die Wirkung beeinträchtigen oder die Röhre unbrauchbar machen können. Bei Röntgenröhren mit metallisch begrenztem Entladungsraum erwärmt sich bei Anwendung dieser hohen Spannungen durch das fortwährende Auftreffen von Ladungen der Äquipotentialteil der Wand, wenn ihm ein festes Potential aufgedrückt wird, unzulässig hoch, oder er nimmt, wenn er isoliert gehalten wird, ein Potential an, bei dem die richtige Spannungs-' verteilung verlorengeht.X-ray tubes are also known with one arranged in the tube Protective body, which surrounds the discharge path and is used to electrically charged Keep particles away from the glass wall of the tube. Such protective bodies can be made from Made of glass or metal. In the latter case, they are mostly on one of the electrodes attached, or both electrodes are provided with lugs that overlap each other can. If the tubes are operated with very high voltages (zoo kV and higher), this is how the harmful effect is produced even when the previously known means are used the electrically charged particles emerging from the actual discharge path valid again. The charges that build up on the screens cause sparks in the tube, which impair the effectiveness or make the tube unusable can. In the case of X-ray tubes with a metallically limited discharge space, heats up when using these high voltages, due to the continuous impact of charges the equipotential part of the wall if a fixed potential is imposed on it, impermissibly high, or if it is kept isolated, it assumes a potential, in which the correct voltage distribution is lost.

Es sind bereits besondere Vorkehrungen bekanntgeworden, um die bei den Röhren der letztgenannten Gattung auftretenden, durch die hohe Spannung verursachten Nachteile zu beseitigen. Diese erfüllen die Aufgabe, den nachteiligen Einfluß der Wandaufladungen aufzuheben oder zu beschränken, verhindern aber nicht das Auftreten dieser Ladungen selbst. Durch die nachfolgend beschriebene Erfindung wird der obige Nachteil restlos behoben, ohne daß außerhalb der Anode und der Kathode noch als Schutzkörper dienende zusätzliche Teile in die Röhre gebracht werden. Die Er--, findung beruht auf der Erkenntnis der Tatsache, daß die erwähnten Aufladungen vor allen Dingen auf die von der positiven Elektrode der Röhre herausdiffundierenden Sekundärelektronen zurückzuführen sind. Diese Elektronen verlassen die wirksame Anodenfläche mit einer großen Geschwindigkeit, die annähernd gleich der Geschwindigkeit ist, mit der die von der negativen Elektrode ausgesandten Elektronen auf die Anode auftreffen. Im Gegensatz zu den Primärelektronen sind sie aber nicht fokussiert und können also unter den verschiedensten Richtungen relativ zu der Anodenvorderfläche ihren Weg anfangen. Ihre Anfangsgeschwindigkeit reicht nicht aus, um die negative Kathode zu erreichen, sondern sie werden von ihrem elektrischen Feld abgelenkt, fliegen in den die Elektroden umgebenden Raum hinein und verfolgen eine auf der Wand des Entladungsraumes endende Bahn.Special precautions have already been taken to prevent the the tubes of the latter type occurring, caused by the high voltage Eliminate disadvantages. These fulfill the task of the adverse influence of Removing or limiting wall charges, but does not prevent their occurrence these charges themselves. By the invention described below the above disadvantage is completely eliminated without leaving the anode and the cathode outside additional parts serving as protective bodies are brought into the tube. the The invention is based on the knowledge of the fact that the charges mentioned above all on those diffusing out from the positive electrode of the tube Secondary electrons are due. These electrons leave the effective Anode surface at a great speed, which is approximately equal to the speed with which the electrons emitted by the negative electrode are sent to the anode hit. In contrast to the primary electrons, however, they are not focused and can therefore in the most varied of directions relative to the anode front surface start their way. Your initial speed is not enough to make the negative To reach the cathode, but they are deflected by their electric field, fly into the space surrounding the electrodes and follow one on the Wall of the discharge space ending path.

Erfindungsgemäß soll eine Hochspannungsentladungsröhre mit Innenelektroden und gerichtetem Elektronenbündel, insbesondere eine Röntgenröhre, das besondere Kennzeichen aufweisen, daß eine ebene Kathodenfläche parallel gegenüberliegt. Dadurch wird das Heraustreten von Sekundärelektronen aus dem Potentialgefälleraum zwischen den Elektroden überhaupt vermieden und die Anordnung von die Entladungsbahn umgebenden Schutzkörpern überflüssig. Wird nun der Abstand zwischen den Elektroden nicht größer als notwendig gehalten, so kann auch der Durchmesser der Elektrodenvorderfläche verhältnismäßig klein bleiben, und man kommt mit einer Röhrenweite aus, die geringer ist, als für Röhren mit Schutzkörper nötig ist. Solche Schutzkörper erfordern nämlich in radialer Richtung gemessen ziemlich viel Raum, da sie einerseits von wenigstens einer der Elektroden und, andererseits von der Röhrenwand einen für die Hochspannung ausreichenden Abstand haben müssen. Früher sind Röntgenröhren gebaut worden, bei denen der Glühdraht in ein Metallgefäß tief zurückgezogen war, während ein Diaphragma dicht an der Anode dazu diente, die Elektronen auf eine kleine Antrittfläche zusammenzudrängen. Obgleich der Abstand zwischen den Elektroden solcher Röhren bisweilen kleiner war, als bei den heutigen Röhren üblich ist, war die erfindungsgemäße Bedingung nicht erfüllt, was schon daraus hervorgeht, daß gerade für diese Röhren vorgeschlagen wurde, Mittel zur Verhinderung des Auftreffens von Elektronen auf die Wand anzuwenden.According to the invention, a high-voltage discharge tube with internal electrodes and directed electron beam, especially an X-ray tube, the special Have characteristics that a flat cathode surface is parallel opposite. Through this the emergence of secondary electrons from the potential gradient space between the electrodes avoided at all and the arrangement of the discharge path surrounding Protective bodies superfluous. Now the distance between the electrodes does not increase held as necessary, the diameter of the electrode front surface remain relatively small, and you can get by with a tube width that is smaller than is necessary for tubes with protective bodies. Such protective bodies require namely Measured in the radial direction quite a bit of space, as they are on the one hand by at least one of the electrodes and, on the other hand, from the tube wall one for the high voltage must have sufficient distance. X-ray tubes used to be built at where the filament was retracted deep into a metal vessel, while a diaphragm close to the anode served to squeeze the electrons onto a small contact area. Although the distance between the electrodes of such tubes was sometimes smaller, as is usual with today's tubes, the condition according to the invention was not fulfills what is already evident from the fact that it was proposed precisely for these tubes was to use means for preventing electrons from hitting the wall.

Man hat ferner vorgeschlagen, das elektrische Feld an der Anode sehr stark zu machen, um in gasgefällten Glühkathodenröhren die Gefahr der Ionisation durch Sekundärelektronen zu verhindern. Der Gedanke dabei war, die Elektronen, nachdem sie einmal die Anode verlassen haben, durch ein kräftigesFeld zuzwingen, auf die Anode zurückzukehren, bevor sie die Gelegenheit hatten, eine Stoßionisation hervorzurufen. Diese Vorschrift, obgleich der Grundgedanke an sich richtig ist, genügt nicht, um für alle Fälle die Rückkehr der Sekundärelektronen auf die Anode zu bewirken. Erst eine hinreichend große Anodenvorderfläche führt zum Ziel, denn wenn die Anode eine zu geringe Ausdehnung hat, kann das elektrische Feld, wie stark es auch sei, den gewünschten Erfolg nicht bringen.It has also been suggested that the electric field at the anode is very high to make strong in order to reduce the danger of ionization in gas-precipitated hot cathode tubes to prevent by secondary electrons. The thought here was the electrons after once they have left the anode, force a powerful field onto the Return anode before they have had the opportunity to cause impact ionization. This rule, although the basic idea is correct in itself, is not enough to to bring about the return of the secondary electrons to the anode in all cases. First a sufficiently large anode front surface leads to the goal, because if the anode a too small, the electric field, however strong it may be, the do not bring the desired success.

An Hand der Abb. i und z wird das Wesen der Erfindung näher klar gemacht.The essence of the invention is made clearer with reference to Figs. I and z.

Abb.3 und 4 beziehen sich auf ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre nach der Erfindung, und Abb. 5 stellt eine Gleichrichterröhre dar, wie sie beispielsweise entsprechend der Erfindung ausgeführt werden kann.Figures 3 and 4 relate to an embodiment of an X-ray tube according to the invention, and Fig. 5 shows a rectifier tube such as, for example can be carried out in accordance with the invention.

Es sei i die Anodenoberfläche und 2 die Vorderfläche einer negativen Elektrode. Zwischen den beiden parallelen Oberflächen besteht ein starkes elektrisches Feld, welches die von der Kathode emittierten Elektronen auf die Anode treibt. Aus der durch das Auftreffen der Elektronen erhitzten Anode werden leicht Sekundärelektronen ausgelöst, die mit einer Anfangsgeschwindigkeit, die nach allgemein bekannten physikalischen Gesetzen nicht größer sein kann als die der auftreffenden Elektronen, aus der Oberfläche i herausfliegen. Ein Elektron, das gerade in die Richtung der Kathode 2 herausfliegt, kann bis nahe an die Kathode herangelangen und fällt dann auf die Anode zurück. Ein Elektron, das in schiefer Richtung heraustritt, z. B. in die durch den Pfeil 3 angegebene Richtung, beschreibt eine bogenförmige Bahn 4, die zwischen der Anode und der Kathode hindurch in den Außenraum ausläuft. Dadurch entstehen die gefürchteten Wandaufladungen.Let i be the anode surface and 2 be the front surface of a negative Electrode. There is a strong electrical power between the two parallel surfaces Field that drives the electrons emitted by the cathode to the anode. the end the anode heated by the impact of the electrons easily become secondary electrons triggered that at an initial speed that according to well-known physical Laws cannot be greater than those of the electrons hitting the surface i fly out. An electron that is just flying out in the direction of cathode 2, can get close to the cathode and then falls back onto the anode. An electron that emerges in an oblique direction, e.g. B. in the one indicated by the arrow Direction indicated 3 describes an arcuate path 4 which extends between the anode and the cathode leaks through into the outside space. This creates the dreaded ones Wall charges.

In Abb. 2 ist schematisch angegeben, wie man bei Röhren, in denen einer ebenen Anodenfläche eine Kathodenfläche parallel gegenüberliegt, die Bahnen der Sekundärelektronen in dem Potentialgefällraum zwischen den Elektroden einschließen kann. Bekanntlich erhält man bei Steinwürfen die größte Reichweite, wenn die Elevation 45' beträgt. Mit dem Schwerkraftfelde, das die Bahn eines weggeworfenen Steines bestimmt, kann män nun das elektrische Feld vergleichen, das die Elektronen steuert. In einem homogenen Felde kommen diejenigen Elektronen am weitesten, die unter einem Winkel von 45' aus der Anodenoberfläche heraustreten. Bei einer ebenen Anodenfläche, der eine Kathodenfläche parallel gegenüberliegt, wird nun die größte Reichweite das Doppelte des Abstandes, über den sich das Potentialgefälle zwischen den Elektroden erstreckt, betragen. Ist nun das Auftreffgebiet der Elektronen, bei einer Röntgenröhre also der Brennfleck, ein Kreis mit dem Radius a, so kann höchstens ein Punkt der Elektrode, der von dem Mittelpunkt dieses Kreises einen Abstand a -[- 2b hat, von Sekundärelektronen getroffen werden, wenn b der Elektrodenabstand ist. Die diesen Grenzkreis erreichenden Elektronen gehen von dem Rand des Auftreffgebietes unter einem Winkel von 45' mit der Anodenoberfläche aus. Ihre Bahn ist mit 5 bezeichnet. Ein Elektron, das eine steilere Bahn 6 oder eine flachere Bahn 7 hat, kommt weniger weit. Die Anodenfläche soll sich also über mindestens das Doppelte des Elektrodenabstandes b erstrecken, um das Austreten von Elektronen völlig zu vermeiden.In Fig. 2 it is shown schematically how to work with tubes in which a cathode surface is parallel opposite a flat anode surface, the tracks of the secondary electrons in the potential gradient space between the electrodes can. It is well known that the greatest range is obtained when throwing stones when the elevation 45 '. With the field of gravity that follows the path of a discarded stone determined, you can now compare the electric field that controls the electrons. In a homogeneous field, those electrons go the furthest that are below you Step out of the anode surface at an angle of 45 '. With a flat anode surface, the a cathode surface is parallel opposite, now becomes the largest Range is twice the distance over which the potential gradient is between extends the electrodes. Is now the area where the electrons hit, at of an X-ray tube, i.e. the focal point, a circle with radius a, can be at most a point on the electrode which is a distance from the center of this circle a - [- 2b has to be hit by secondary electrons if b is the electrode spacing is. The electrons reaching this boundary circle come from the edge of the impact area at an angle of 45 'with the anode surface. Your path is denoted by 5. An electron that has a steeper orbit 6 or a flatter orbit 7 comes less far. The anode surface should therefore be at least twice the distance between the electrodes b to completely avoid the escape of electrons.

Bei Röntgenröhren mit seitlich austretendem wirksamem Strahlenbündel, bei welchen der ebenen Anodenvorderfläche eine ebene Vorderfläche der Sammelvorrichtung parallel gegenüberliegt, hat die neue Ausgestaltung der Elektroden zur Folge, daß nur ein schmales Bündel durch den Spalt zwischen der Anode und der Sammelvorrichtung austreten kann. Erfindungsgemäß wird nun der Teil der Sammelvorrichtung, der von Röntgenstrahlen, die unter einem,für den Strahlenkegel von Röntgenröhren gebräuchlichen Winkel (2o' oder weniger) aus der Trefffläche austreten, noch getroffen wird, für diese Strahlen gut durchlässig gemacht.For X-ray tubes with an effective beam exiting from the side, in which the flat anode front surface is a flat front surface of the collection device parallel opposite, the new design of the electrodes has the consequence that just a narrow bundle through the gap between the anode and the collector can emerge. According to the invention, the part of the collecting device that is of X-rays, which are used for the beam cone of X-ray tubes Angle (2o 'or less) emerge from the target area, nor is it hit, for made these rays well permeable.

Eine Röntgenröhre mit diesen Merkmalen zeigt Abb. 3 im Durchschnitt. Es ist hier zr die Anode, 12 der Glühdraht der Kathode und 13 die metallene Sammelvorrichtung, die aus Chromeisen bestehen kann. Letztere hat eine schräg verlaufende ebene Vorderfläche 1q., die der Anodenstirnfläche =5 parallel gegenüberliegt und mit einer Austrittsöffnung =6 zum Durchlassen der Kathodenstrahlen versehen ist. Die einander benachbarten Flächen 1q. und 15 sind gleich groß und erstrecken sich seitlich des Brennflecks, d. h. seitlich der Austrittsöffnung 16 über einen Abstand, der in der gezeichneten Durchschnittsebene etwas mehr als das Doppelte ihres gegenseitigen Abstandes ist. Die auf der Anode zu erzeugenden Röntgenstrahlen können durch das in einem metallenen Wandteil 17 angeordnete Fenster 18 die Röhre verlassen. An den Teil 17 sind gläserne Wandteile z9 und 2o angeschmolzen.An X-ray tube with these features is shown in Fig. 3 on average. It is here for the anode, 12 the filament of the cathode and 13 the metal collecting device, which can consist of chrome iron. The latter has a sloping flat front surface 1q., Which is parallel to the anode face = 5 opposite and with an outlet opening = 6 is provided to allow the cathode rays to pass through. The neighboring ones Areas 1q. and 15 are the same size and extend to the side of the focal point, d. H. laterally of the outlet opening 16 over a distance that is shown in the drawing Average level is a little more than twice their mutual distance. The X-rays to be generated on the anode can be transmitted through the in a metal Wall part 17 arranged window 18 leave the tube. On the part 17 are glass Wall parts z9 and 2o melted.

Damit der volle, durch das Fenster begrenzte Strahlenkegel benutzt werden kann, ist, wie aus der schaubildlichen Darstellung der Sammelvorrichtung in Abb. q. besser ersichtlich, ein Teil des Gefäßes 13 ausgeschnitten und durch einen aus dünner Metallfolie, z. B. aus Chromeisen oder Aluminium, geformten Ansatz 21 ersetzt, den die Röntgenstrahlen leicht durchdringen können. Es kann auch der Hauptteil des Gefäßes 13 und der Teil 21 aus einem Stück bestehen, z. B. kann durch Hämmern oder Schleifen eine örtliche Schwächung der Wandstärke herbeigeführt werden. Eine geringe Absorption der Röntgenstrahlen in diesen Teil ist bedeutungslos, um so mehr als die Röhre, wie sie die Abbildung zeigt, vorzugsweise für die höchsten Spannungen, also für äußerst durchdringungsfähige Strahlen, dienen soll. Durch die neue Einrichtung wird es unter Umständen möglich sein, den Äquipotentialteil 17 der Wand fortzulassen.So that the full cone of rays limited by the window is used is, as can be seen from the diagrammatic representation of the collecting device in fig.q. better visible, a part of the vessel 13 cut out and through one made of thin metal foil, e.g. B. made of chrome iron or aluminum, shaped approach 21, which the X-rays can easily penetrate. It can also be the The main part of the vessel 13 and the part 21 consist of one piece, e.g. B. can through A local weakening of the wall thickness can be brought about by hammering or grinding. A low absorption of the X-rays in this part is meaningless to so more than the tube as the figure shows, preferably for the highest Tensions, so for extremely penetrable rays, should serve. Through the new device it will be possible under certain circumstances, the equipotential part 17 to leave the wall away.

Die Gleichrichterröhre nach Abb. 5 besteht aus einem hochevakuierten oder gegebenenfalls mit einer im Betrieb nicht ionisierten Gasfüllung versehenen Glasgefäß 22, in dem eine Anode 23 und eine Kathode mit Glühdraht 24 und Sammelvorrichtung 25 angeordnet sind. Dadurch, daß die Elektronenbahnen durch das Vorhandensein der Sammelvorrichtung gerichtet sind, können keine Primärelektronen auf die Glaswand auftreffen. Um auch dem Auftreffen auf die Wand von Sekundärelektronen vorzubeugen, ist die Anodenvorderfläche und dementsprechend die Kathodenvorderfläche durch eine Platte 26 bzw. 27 vergrößert, und zwar so weit, daß von dem Rand des Auftreffgebietes der Primärelektronen an gerechnet, die einander gegenüberliegenden Flächen sich über mehr als das Doppelte ihres gegenseitigen Abstandes in radialer Richtung erstrecken. Wegen des Fehlens eines Äquipotentiälteiles in der die Entladungsbahn umgebenden Wand ist auch für derartige Gleichrichter, trotz der verhältnismäßig niedrigen Spannungen, die bei positiver Anode zwischen ihren Elektroden im normalen Betriebe herrschen, die beschriebene Anordnung von Bedeutung.The rectifier tube according to Fig. 5 consists of a highly evacuated one or if necessary with a gas filling that is not ionized during operation Glass vessel 22 in which an anode 23 and a cathode with filament 24 and collecting device 25 are arranged. Because the electron orbits through the presence of the Collecting device are directed, no primary electrons can hit the glass wall hit. To prevent secondary electrons from hitting the wall, is the anode front surface and accordingly the cathode front surface by a Plate 26 and 27 enlarged, so far that from the edge of the impact area of the primary electrons counted, the opposing surfaces extend over more than twice their mutual distance in the radial direction. Because of the lack of an equipotential part in the one surrounding the discharge path Wall is also for such rectifiers, despite the relatively low voltages, which prevail between their electrodes in normal operation with a positive anode, the described arrangement is important.

Die Platten 26 und 27 sind zur Vermeidung von Spitzenentladungen umgebördelt. Sie bestehen zweckmäßig aus Chromeisen, einem Material, das eine verhältnismäßig geringe Emissionsfähigkeit hat. Die Anode 23 ist durch einen Stab 28 an einem Chromeisenplättchen 29 befestigt, an dem das Glas der Wand 22 luftdicht angeschmolzen ist. Auf der anderen Seite dieses Plättchens ist ein Stromleiter angelötet. Auf der Kathodenseite ist die Wand mit einer Einstülpung an den Rand des Gefäßes 25 angeschmolzen. Durch den Boden des letzteren ist einer der beiden Stromzuführungsdrähte 3o des Glühdrahtes luftdicht und isolierend mittels eines angeschmolzenen Glasstäbchens hindurchgeführt. Der andere Draht ist mit dem Gefäß 25 leitend verbunden, mit dem ein Ende des Glühdrahtes in Verbindung steht.The plates 26 and 27 are crimped to avoid peak discharges. They are expediently made of chrome iron, a material that is proportionate has low emissivity. The anode 23 is attached to a chrome iron plate by a rod 28 29 attached to which the glass of the wall 22 is fused airtight. On the other A conductor is soldered to the side of this plate. On the cathode side is the wall is fused to the edge of the vessel 25 with an indentation. Through the The bottom of the latter is one of the two power supply wires 3o of the filament Airtight and insulating by means of a fused glass rod. The other wire is conductively connected to the vessel 25, to which one end of the filament communicates.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. High-voltage discharge vessel with internal electrodes and directed electron beam, in particular an X-ray tube, thereby marked, that the just formed anode surface outside of its intersection with the bundle of the primary electrons on all sides over a width that is at least twice that of the distance between the electrodes, a flat cathode surface is parallel to one another.

2. Discharge vessel according to claim i, characterized in that the anode front surface and the front surface of the cathode structure are of equal diameter.

3. Discharge vessel according to Claims 1 and 2, characterized in that the required Expansion of the front surface of the anode with the help of a plane on the anode is effected with her arranged washer. q .. X-ray tube according to claim i, 2 or 3, characterized in that that of the useful X-ray cone hit part of the cathode collection device from one the X-rays well permeable, electrically conductive material.