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Röntgenröhre für Hohlkörperdurchleuchtung Zur Durchleuchtung von Hohlkörpern
dienende Röntgenröhren müssen bei großer Länge einen kleinen Durchmesser aufweisen
und einen kleinen Brennfleck besitzen, da der Abstand zwischen Brennfleck und Objekt
meist nur klein ist; sie müssen ferner von Fremdfeldern möglichst unabhängig sein.
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Abb. i zeigt eine für' diesen Zweck gebräuchliche Röntgenröhre, bei
der auf der Antikathode i, die sich in einem sehr großen Abstand von der Kathode
z am Ende des Anodenrohres g befindet, ein Brennfleck von etwa 2 rnm Durchmesser
erzeugt wird. Es ist sehr schwierig, bei dieser Anordnung das Anodenrohr und die
Kathode genügend genau zu zentrieren. Zudem lenken fremde Magnetfelder, z. B. das
Erdfeld, den Strahlab, so daß der Brennfleck sich nicht immer an der gleichen Stelle
der Antikathode befindet. Man hat deshalb versucht, den Brennfleck durch Hinzufügen
von koaxialen, um das Anodenrohr angeordneten Magnetspulen zu verkleinern. Dadurch
wird bei geeigneter Anordnung der Brennfleck sehr stark verkleinert. Durch Hinzufügen
der Spule wird aber erstens der Durchmesser des in den Hohlkörper einzuführenden
Teils in unerwünschter Weise vergrößert und zweitens der Betrieb erschwert, da sowohl
die Röhre als auch die Spule mit konstanter Gleichspannung betrieben werden müssen,
wenn die Form und Lage des Brennflecks stets die gleiche sein soll. Ein Betrieb
mit welliger `Gleichspannung oder Wechselspannung ist noch nicht befriedigend geglückt,
obgleich es an Angaben für entsprechende Schaltungen nicht fehlt.
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Nach einem anderen Vorschlag wird die Größe des Brennflecks durch
elektrostatische Linsen verkleinert. Diese Linsen .müssen jedoch im Innern der Röhre
angeordnet werden. Dadurch wird nicht nur der Aufbau, sondern auch die Schaltung
schwieriger. Wendet man eine Einzellinse an, so muß die Spannung zwischen Anode
und Linsenelektrode ungefähr ebenso groß sein wie die Spannung zwischen Anode und
Kathode; bei Röntgenröhren muß sie also in der Größenordnung von ungefähr ioo kV
liegen. Das
hat zur Folge, daß die Linsenelektrode ungefähr auf
dem gleichen Potential liegt wie die Kathode. Da gewisse HöchstfeIdstärken aus Gründen
der Betriebssicherheit nicht über=: schritten werden dürfen, müssen die Abmesw,
sungen der Linse sehr groß werden. Da dis Linse zudem zwecks Erzielung einer aus-:
reichend verkleinerten Abbildung in ziemlich großer Entfernung von der Kathode ange-or
dnet werden muß, ergibt sich eine ziemlich unhandliche Röhre, die für etwa i 5o
kV Betriebsspannung bereits einen Durchmesser von etwa ioo mm erhalten würde. Röhren
mit derartigem Durchmesser sind jedoch für viele Hohlkörperuntersuchungen ungeeignet.
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Ein anderes Mittel zur Verkleinerung des Brennflecks ist die Anwendung
einer Beschleunigungslinse (Immersionslinse). Die Elektronen werden zunächst auf
eine Zwischenspannung beschleunigt und durch die Beschleunigungslinse konzentriert
und dann auf Antikathodenpotential beschleunigt. Derartige Linsen haben gegenüber
den Einzellinsen den Vorzug, daß sie näher zur Kathode hin gerückt werden können,
ohne daß das Abbildungsverhältnis nennenswert ungünstiger wird. Sie haben jedoch
den Nachteil, daß der Strahlquerschnitt weit größer wird, als er es würde, wenn
die Elektronen sofort auf hohe Spannung beschleunigt würden. Es muß deshalb sowohl
die Linse als auch das Rohr einen großen Durchmesser besitzen. Ein weiterer Nachteil
der Immersionslinse ist, daß das Zwischenpotential näher zum Kathoden- als zum Antikathodenpotential
liegt, so daß die zur Regulierung der Brennfleckgröße dienenden Einrichtungen sich
praktisch auf dem hohen negativen Kathodenpotential befinden.
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Einen wesentlichen Fortschritt kann man durch Auflösung des Konzentrierungsmittels
in eine größere Anzahl von Einzellinsen erzielen. Abb. 2 zeigt in schematischer
Darstellung eine solche Röhre, bei der sich die Elektroden q. auf Antikathodenpotential,
die Elektroden 5 auf . einem Zwischenpotential befinden. Die Linsenspannung und
der Linsendurchmesser können bei dieser Anordnung bedeutend kleiner gehalten werden.
Es ist zweckmäßig, abwechselnd Beschleunigungs-und Verzögerungslinsen anzuwenden,
damit man mit einer einzigen Regelspannung auskommt. Bei Anwendung von zehn Konzentrierungsstufen
kommt man bei einer Röhrenspannung mit einer einzigen, gegebenenfalls regelbaren
Linsenspannung von etwa i o ooo V gegenüber der Anode aus. Der Aufbau eines solchen
Systems von Einzellinsen in der Röhre ist jedoch sehr schwer durchzuführen. Zudem
wird auch bei dieser Anordnung der Außendurchmesser der Röhre wegen der erforderlichen
Halterung und Spannungszuführung zu den Linsenelektroden verhältnismäßig groß. Alle
diese Nachteile werden bei der Röntgenröhre nach der Erfindung dadurch vermieden,
:daß im Anodenrohr eine rohrförmige Linsen-.: ktrode angeordnet ist, -die
derartige öfft@gen aufweist, durch die das Potential der knode hindurchgreift, daß
innerhalb dieser Linsenelektrode nicht axial symmetrische, längs des Anodenrohres
abwechselnd beschleunigende und verzögernde,- in ihrer Gesamtwirkung konzentrierende
Felder entstehen. Bei diesen Linsen kann die mechanische und die elektrische Verbindung
zwischen den auf gleichem Potential liegenden Elektroden ohne Beanspruchung eines
größeren Querschnitts, als ihn die eigentliche Linsenelektrode einnimmt, geschehen.
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Die Abb. 3 bis 9 zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Die mit einer beliebigen Vorrichtung zum Richten der Elektronen versehene
Kathode 2 befindet sich in -großem Abstand vom Antikathodenspiegel i, der am Ende
des dünnen Anodenrohres '3 angebracht ist. Der Linsenelektrode 6 wird durch die
Zuleitung 7 die Zwischenspannung zugeführt. Die Elektrode 6 weist eine wendelartige
Öffnung 8 auf, durch die das Feld des Anodenrohres 3 in das Innere der Elektrode
hineingreift und auf die Elektronen einwirkt. Von der Wirkungsweise dieser als Wendel
ausgebildeten Linsenelektrode kann man sich annäherungsweise durch Zusammensetzung
der Wirkung einer größeren Zahl von Einzellinsen ein ungefähres Bild machen. Die
Stärke .der Linse hängt vom Durchgriff des Feldes des Anodenrohres durch den Schlitz
ab. Das Linsenpotential kann positiv oder negativ gegen das Anodenpotential sein.
Im allgemeinen ist es zweckmäßig, es negativ zu wählen, in jedem Fall tritt eine
konzentrierende Wirkung ein. Die mit 9 bezeichnete Linse zwischen Linsenrohrende
und Anodenrohr ist, wenn die Linsenelektrode negativ ist, gegenüber dem Anodenrohr
eine an sich bekannte Beschleunigungslinse. Da wegen der Anwendung mehrerer Linsen
mit einer kleineren Linsenspannung in der Größenordnung von beispielsweise io kV
und weniger gearbeitet werden kann, kann der äußere Durchmesser des Anodenrohres
sehr klein gewählt werden. Bei einem Rohr für i 5o kV Betriebsspannung braucht er
nur etwa 2o bis 25 mm zu betragen; unter Umständen ist es sogar möglich, noch mit
bedeutend kleinerem Durchmesser auszukommen. Die Rohrlänge kann außerordentlich
groß sein, da durch entsprechendes Verteilen der Einzellinsen auf die Gesamtlänge
der erforderliche kleine Strahlenquerschnitt erreicht werden kann. Bei im Verhältnis
zu ihrem Durchmesser sehr langen Rohren empfiehlt es sich,
den Strahl
an der Stelle, an der er den Querschnitt der Elektrode 6 etwa i o bis 50 erfüllt,
durch eine oder mehrere Linsen annähernd parallel zu .richten und ihn erst in der
Nähe des Brennflecks zu konzentrieren. Wenn es auf die Erzeugung eines extrem kleinen
Brennflecks ankommt, ist es meistens vorteilhafter, das Rohr nur in der Nähe des
Brennflecks in der dargestellten Weise zu schlitzen.
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Die beschriebene Linsenelektrode mit wendelförmigem Schlitz ist nur
ein Beispiel für nicht axialsymmetrische Linsenelektroden nach der Erfindung. Es
kann auch ein kreiszylindrisches Rohr mit etwa kreisrunden oder rechteckigen öffnungen
versehen werden, durch die das Anodenfeld-hindurchgreift. Die Wirkung der dabei
verbleibenden -Stege zwischen den einzelnen Löchern kann durch Anordnung einer größeren
Anzahl derartiger Löcher in gegeneinander versetzter Stellung ausgeglichen werden.
Um den Durchgriff durch die Üffnungen zu erhöhen, kann, wie. in Abb. 4 und 5 dargestellt
ist, das Anodenrohr Einsätze i o erhalten, die den Durchgriff -durch die öffnungen
i i der Linsenelektrode erhöhen.
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Die Linsenelektrode und die Außenelektroden sowie das Anodenrohr brauchen
nicht kreiszylindrisch geformt zu sein. Es können z. B. auch aus Rohren mit rechteckigem
Querschnitt Linsensysteme mit genügend kleinen Linsenfehlern hergestellt werden.
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Der Betrieb der verschiedenen Röhren kann in verschiedenen Schaltungen
erfolgen. Am einfachsten ist die Anwendung einer konstanten Gleichspannung für Anöde
und Linsenelektrode in der in Abb. 6 dargestellten Schaltung. Die Linsenelektrode
6 ist an eine regelbare Anzapfung einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das
Verhältnis der Linsenelektrodenspannung zur Anodenspannung ist bestimmend für die
Größe des Brennflecks. In der Regel wird man die Linsenspannung so einstellen, daß
ein möglichst kleiner Brennfleck entsteht. Durch Veränderung der Linsenspannung
wird man den Brennfleck vergrößern, wenn dies aus irgendwelchen Gründen, z. B. zwecks
Anwendung einer hohen Gesamtbelastung, erforderlich sein sollte.
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Im allgemeinen wird die Räntgenröhrenach der Erfindung 'mit einer
Hochspannungsanlage betrieben, . die aus einem Transformator und einem Gleichrichter
besteht. Damit die Brennfieckgröße be@iebiggeregelt werden kann, empfehlt es sich,
zwei getrennte Gleichrichter für die Erzeugung der Anodenspannung und der Linsenspannung
vorzusehen, damit die Linsenspannung primärseitig unabhängig von der Anodenspannung
geregelt werden kann. Da der Potentialunterschied zwischen der Linsenelektrode und
der geerdeten Anode nur klein ist im Verhältnis zur Anodenspannung, ist der für
die getrennte Erzeugung der Linsenspannung erforderliche Mehraufwand nur verhältnismäßig
gering. Abb. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Schaltung. Die Hochspannungsanlage
für die Erzeugung der Anodenspannung besteht aus dem primärseitig regelbaren Transformator
12, den Gleichrichterröhren 13 und dem Glättungskondensator 14. Die Hochspannungsanlage
für die Erzeugung der Linsenspannung besteht aus dem, primärseitig regelbaren Transformator
15, den Gleichrichterröhren 16 und dem Glättungskondensator 17.
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Da die Elektronenstrahlkonzentrierung sich nicht ändert, solange das
Verhältnis von Linsenspannung zur Anodenspannung konstant ist, können die Anode
und die Linse auch mit pulsierender Gleichspannung betrieben werden, sofern dafür
Sorge getragen wird, daß die beiden Spannungen gegeneinander ähnlich und phasengleich
sind. Es ist daher unter Umständen möglich, die beiden Kondensatoren 14 und 17 fortzulassen.
Man erhält allerdings in diesem Falle während jeder Periode Röntgenstrahlen verschiedener
Härte.
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Abb. 8 zeigt eine zum Betrieb mit Wechselspannung -dienende Schaltung.
Die beiden Transformatoren 18 und i9 können primärseitig regelbar ausgeführt werden.
Es kann auch ein gemeinsamer Transformator mit einer festen oder regelbaren Anzapfung
für die Linsenspannung ben-4tzt werden. Ein Nachteil dieser Schaltung ist die geringere
mittlere Intensität der Strahlung, da nur die eine Halbwelle des Wechselstromes
ausgenutzt werden kann. Für transportable Geräte wird man diesen Nachteil wegen
des geringeren Gewichts der Anlage im allgemeinen in Kauf nehmen können.
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Es ist auch möglich, die Anode mit pulsierender Gleichspannung (Abb.7)
unter Fortlassung des Kondensators 14 zu betreiben und die Linsenelektrode, wie
iri Abb. 8 dargestellt ist, an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen. Für die
konzentrierende Wirkung ist das Verhältnis des Potentialunterschiedes zwischen der
Linsenelektrode -und der Anode einerseits zum Potentialunterschied der Kathode und
der Anode anderseits maßgebend. Wenn zur Speisung der Anode eine pulsierende Gleichspannung
und zur Speisung der Linse eine sehr kleine Wechselspannung verwendet wird, ist
während der Halbperiode, in der die Linse gegenüber der Anode ein Potential gleichen
Vorzeichens aufweist wie die Kathode, das Verhältnis nur wenig größer als während
der folgenden Halbwelle, in der die Linse gegenüber ,der Anode ein Potential entgegengesetzten
Vorzeichens
aufweist als die Kathode. Mit zunehmender Größe der
Linsenspannung wird die Abweichung der konzentrierenden Wirkung in der ersten und
in der zweiten Halbwelle daher. immer größer. Um das Abbildungsverhältnis in beiden
Halbwellen gleich zu machen, wird deshalb zur Speisung der Linsenelektrode mit Vorteil
eine unsymmetrische Wechselspannung verwendet, und zwar wird während der Halbwelle,
in der die Linse gegenüber der Anode ein Potential gleichen Vorzeichens aufweist
wie die Kathode, eine kleinere Linsenwechselspannung benötigt als während der darauffolgenden
Halbwelle, in der die Linsenelektrode gegenüber der Anode ein entgegengesetzt gerichtetes
Potential aufweist als die Kathode. Es ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig,
zur Speisung der Linsenelektrode eine Spannung solcher Kurvenform zu verwenden,
daß für alle Zeitpunkte der Periode das Verhältnis der für die Abbildung maßgebenden
Spannungen genau konstant ist. Eine ausreichende Genauigkeit erzielt man, wenn dieses
Verhältnis bei den Maximalwerten möglichst genau übereinstimmt.
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Das beschriebene Linsensystem dient nicht nur dazu, den Elektronenstrahl
zu konzentrieren, sondern es trägt gleichzeitig auch zur Kompensation der magnetischen
Fremdfelder bei, da jede der Elektronenlinsen der Strahlablenkung durch ein Fremdfeld
entgegenwirkt. Diese günstige Wirkung tritt bei der Anordnung nach der Erfindung
in besonders hohem Maße auf, weil die Linsenelektrode aus einer großen Zahl von
Einzellinsen, die über einen großen Teil der Länge des Anodenrohres verteilt sind,
zusammengesetzt ist. Man wird im allgemeinen die Linsenspannung so einstellen, daß
der erste Konzentrierungspunkt des Elektronenstrahls auf den Brennfleckspiegel i
fällt. Wenn der Strahlquerschnitt sehr klein gehalten und die Lage des Brennflecks
durch Fremdfelder außerordentlich wenig beeinflußt werden soll, bietet es Vorteile,
den Strahl auf dem Weg von der Kathode zum Brennfleckspiegel, wie in Abb.9 dargestellt
ist, mehrfach, z. B. an den Punkten "o, zu konzentrieren.