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Hochleistungsröntgenröhre mit einem gegen die Elektronen-Rückdiffusion
eingekapselten Brennfleck und einem strahlungsgekühlten Fenster Röntgenröhren mit
einer einfachen Antikathode, bei denen der Brennfleck offenliegt, haben bekanntlich
den Nachteil, daß die Glaswand von im Brennfleck reflektierten Elektronen getroffen
wird. Zur Vermeidung der dadurch bedingten Übelstände wurde der sog. E-Anodenkopf
(Elektronenschutz) eingeführt, bei dem der Elektronenstrahl durch einen Kanal in
das Innere der Anode eindringt und durch eine Wolframplatte abgebremst wird. Um
die Elektronen allseitig abzuschirmen, jedoch die Röntgenstrahlen in der gewünschten
Richtung austreten zulassen, wird die durch die Anodenwanid gebohrte S:trahlenaustrittsäffnung
durch das -sog. Fenster abgedeckt, das aus so dünnem Material besteht, daß die Röntgenstrahlen
ungehindert hindurchtreten können, die reflektierenden Elektronen jedoch aufgefangen
werden.
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Dieses Fenster bereitet Schwierigkelten, wenn man die Leistung der
Röntgenröhren steigern will, und zugleich einen bestimmten Öffnungswinkel des austretenden
Röntgenstrahlenbündels einhalten muß. Die im Brennfleck reflektierten und von innen
auf den Kanal und auf das- Fenster aufprallenden Elektronen führen nämlich einen
beträchtlichen Teil der Anodenleistung mit sich. Während man bei flüssigkeitsgekühlten
Röntgenröhren die Wände des E-Kopfes dick machen und die erzeugte Wärme verhältnismäßig
einfach zu den gekühlten Stellen dei Anode abführen kann, ist dies bei dem Fenster
wegen seiner dünnen Wandstärke schwierig.
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Es gibt zwei Möglichkeiten, die durch Elektronenaufprall im Fenster
entstehende-Wärme abzuführen. Der eine Weg ist der, daß man das Material so dick
macht, wie es mit Rücksicht auf die Durchlässigkeit für die Röntgenstrahlen gerade
möglich ist, und ihm eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit gibt. Die Wärme fließt
dann durch das Fensterblech zum Rand und geht dort auf die übrigen Anodenteile über.
Dieser Weg wurde bisher bei
flüssigkeitsgekühlten Röhren immer beschritten.
Das Fenster bestand meistens aus Kupfer. Da dessen Durchlässigkeit für Röntgen-'.'
strahlen gering ist, maßte die Wandsität-k(#' sehr klein sein. Bei höherer Belastung
bei Bann daher das Kupfer zu schmelzen oder :#ü.: verdampfen. Um das Fenster dicker
machen zu können, hat man es aus Metallen hergestellt, die .eine sehr hohe Röntgenstrahlendurch.lässigkeit
besitzen, z. B. Beryllium. Dieses läßt sich aber schwer mit dem Anodenmetall gut
wärmeleitend verbinden. Die neuerdings von Röntgenröhren geforderten Leistungen
lassen sich auf diesem Wege nicht mehr .erreichen.
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Der andere Weg ist die Strahlungskühlung des Fensters. Hierbei strahlt
jedes Flächenelement des Fensters ebensoviel Wärme nach außen und innen ab, wie
.es durch Elektronenaufprall empfängt. Die Wärmeleitung zum Rand braucht dabei keinen
Beitrag zur Energieabführung zu leisten. Man kann das Fenster mit Leichtigkeit so
dünn machen, daß die Röntgenstrählen ungehindert hindurchgehen. Die Flächenbelastung
und damit die erforderliche Abstrahlleistung pro Quadratzentimeter wird verkleinert
durch Vergrößerung des Anodendurchmessers, da die Elektronendichte mit dem Abstand
vom Brennfleck kleiner wird. Somit kann theoretisch jede Leistung von einem geeignet
geschalteten Fenster bewältigt werden.
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In der Praxis sind der Vergrößerung des Anodenkopfes Grenzen gesetzt,
vornehmlich durch dessen Gewicht, aber auch durch die Forderung, .daß die Röhren
möglichst klein werden sollen. Man benutzt daher Fenster, die eine sehr hohe Temperatur
vertragen, und wählt als Material dünne Folien aus hitzebeständigem Metall. Die
Anwendung solcher strahlungsgekühlten Fenster ist bekannt bei strahlungsgekühlten
Anoden, d. h, bei Röntgenröhren, bei denen die Anodenleistung nicht durch ein Kühlmittel
abgeführt wird, sondern durch die Abstrahlung von der glühenden Anode. So wurde
von der Erfinderin z. B. ein aus Wolfram gesinterter E-Kopf verwendet mit einer
Fensterfolie aus dünnem Wolframblech. Die mit solchen Röhren erzielbaren Leistungen
reichen aber für die heute gestellten Ansprüche nicht mehr aus.
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Es ist unbedingt erforderlich, die großen Energiemengen durch eine
intensive Flüssigkeitskühlung abzuführen. Um die Wärme vom Brennfleck fortzuleiten,
ist ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, -,vie z. B. Kupfer, erforderlich.
Setzt man aber in eine,Kupferanode ein Fenster, dessen Temperatur im Betrieb sehr
hoch liegt, so wird an den Berührungsstellen des Fensterbleches mit dem Kupfer dieses
örtlich überbitzt und zur Verdarnpfung kommen. Der dadurch in der Röhre entstehende
Metallniederschlag führt zu >ascher Zerstörung derselben. E,rfindungs-.:g@mäß wird
nun das Fenster so in die Wanditmng des Anodenkopfes ,eingesetzt, daß an Deinem
Rand ein Streifen von bestimmter Breite durch das Anodenmetall gegen den Elektronenaufprall
abgeschirmt wird und keine Wärme empfängt. Während die Mitte des Fensters hell glüht,
besteht in dem abgeschirmten Streifen ein sehr starkes Temperaturgefälle nach dem
Rand zu, da man ja das Blech äußerst dünn machen kann. Am Rand wird das Fensterblech
am besten durch Lötung mit dem Anodenmetall verbunden, so daß überall eine gleichmäßige
Wärmeableitung stattfinden kann.
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Wie bereits gesagt wurde, wird die Flächenbelastung um so kleiner,
je größer der Abstand des Fensters vom Brennfleck wird. Bisher setzte man im allgemeinen
ein ebenes Fenster in die Anode ein. Will man aber möglichst weit vom Brennfleck
abrücken, so wird die Fläche des Fensters durch die Krümmung des Anodenkopfes begrenzt
und damit auch der Strahlenöffnungswinkel. Die ebene Fläche der bisher verwendeten
Fenster ergab sich aus der besten Herstelhungsmöglichkeit. Ein der Erfindung entsprechendes
strahlungsgekühltes Fenster läßt sich aber in einfacher Weise zylindrisch herstellen,
wodurch der größtmögliche Strahlenöffnungswink.el gewährleistet ist bei bester Ausnutzung
des AnodenduTchmessers. Gleichzeitig wird die abstrahlende Fläche durch die zylindrische
Ausbildung gegenüber ;der ebenen noch vergrö'ßer t.
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Die Abbildungen zeigen ein Ausführüingsbeispiel der Erfindung. Die
Abb. r ist das Schnittbild durch den vorderen Teil des Anodenkopfes. Der Elektronenstrahl
E tritt durch den Kanal I< in den Anodenleopf aus Kupfer ein und trifft die eingebettete
Wolframplatte W im Brennfleck, von dem die Röntgenstrahlen sowie auch die reflektierten
Elektronen nach allen Seiten ausgehen. Die konische Bohrung durch das Kupfer läßt
senkrecht zur Röhrenachse nur ein bestimmtes Strahlenbündel hindurch, während der
durch, den Kanal austretende Anteil durch die nicht gezeichnete Kathode abgefangen
wird. Die volle Intensität besitzt das Bündel mit dem öffnungswinkel AB; es wird
durch ein Halbschattengebiet CD umgeben. Die Fensterfolie F ist außen auf
die Anode aufgelegt und bei a angelötet. Die vom Brennfleck ausgehenden Elektronen
können das Fenster nur in dem Teil b-b treffen, der dadurch hocherhitzt wird. In
dem ringförmigen Randstreifen von der Breite a-b liegt das Blech nicht am Kupfer
an. In diesem Teil tritt daher ein Temperaturabfall auf von der Glühtemperatur
im
Teil b-b bis auf die Temperatur des Kupfers in der Lötnahta. Würde die Aussparung
von der Breite a-b fehlen, so würde die Fensterfolie, die z. B. bei Verwendung von
Tantal im Betrieb eine Temperatuir von über 2000° C haben kann, an der Stelle b
an Kupfer anliegend dieses örtlich zum Schmelzen bringen; geschmolzenes Kupfer würde
sich auf der heißen Folie ausbreiten und verdampfen.
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Die Abb.2 zeigt einen Schnitt durch die Ebene S-S in der Richtung
des Elektronenstrahles gesehen. Man erkennt das vom Brennfleck Br ausgehende Nutzstrahlenbündel
AB und den Halbschattenkegel CD. Die zylindrische Membran a-b-b-a
vdird im Teil b-b durch Elektronenaufprall erhitzt und im. Teil a-b durch das Kupfer
abgedeckt. Die Wärmeabstrahlung des Fensters wird zweckmäßigerweise durch eine besondere
Ausbildung der Oberflächea-b-b-r4, wieAufrauhen oder Scbwärzung oder durch andere
Mittel, erhöht.