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Verfahren zur Erzeugung kurzzeitiger Röntgenblitze Die Erfindung betrifft
eine- Röhre zur Erzeugung kurzzeitiger Röntgenblitze. Es ist bereits bekannt, solche
Röntgenblitze mit Hilfe einer dampfgefüllten Entladungsröhre zu erzeugen, derart,
daß zwischen einer flüssigen Anode und einer flüssigen Kathode stoßartig eine hohe
Spannung angelegt wird. An der Anode bildet sich dann ein Röntgenbrennfleck aus,
und zwar so lange, als die Aufbauzeit der Entladung beträgt. Infolge starkerErzeugung
vonLadungsträgern bricht dann die Spannung zwischen den Elektroden zusammen. Es
ist weiter bekannt, die Entladung zwischen den Elektroden durch einen verengten
Teil des Gefäßes übergehen zu lassen. Anstatt einer flüssigen Anode wurde auch schon
eine feste Anode verwendet und die flüssige Kathode bei einer vorgeschlagenen Bauart
durch eine feste Hohlkathode ersetzt.
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- Mit diesen beschriebenen Mitteln -gelingt es, Röntgenstrahlen. von
kurzer Zeitdauer und ziemlich großer Intensität zu erzeugen. Die Erfindung betrifft
nun ein Verfahren, durch dessen Anwendung die erreichbare Dosis .der Röntgenstrahlen
nochweiter vergrößert wird. Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zur Erzeugung
kurzzeitiger Röntgenblitze darin, daß zwischen einer festen Kathode und einer festen
Anode einer elektrischen Entladungsröhre durch Anlegen einer hohen Spannung ein
Durchschlag im Hochvakuum herbeigeführt wird. Es hat sich herausgestellt, daß man
mit einem derartigen Röntgenblitzrohr eine sehr große Dosis der Röntgenstrahlen
erzielen kann, wobei Röntgenblitze von einer Dauer von etwa 16-s Sekunden erzeugt
werden.
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Es sind schon Röntgenröhren bekannt, bei denen zwischen einer festen,
vorzugsweise spitzen- oder schneidenförmigen Kathode und einer gleichfalls festen
Anode durch Anlegen einer hohen Spannung ein Elektronenübergang herbeigeführt wird.
Die bekannten Röhren .dienten jedoch zur Erzeugung einer kontinuierlichen Röntgenstrahlung,
und ein Durchschlag zwischen den Elektroden mußte unter allen Umständen vermieden
werden. Bei der Erfindung handelte es sigh zum Unterschied von dem Bekannten um
die Erzeugung kurzzeitiger intensiver Röntgenblitze, zu welchem Zweck erfindungsgemäß
ein
Durchschlag im Hochvakuum herbeigeführt wird. Es hat sich nämlich überraschenderweise
gezeigt, <laß man bei der Erzeugung kurzzeitiger Röntgenblitze durch die flerbeifiihrune
eines solchen Hochvakuum-,lurchschlages eine wesentlich größere IZÖntgendosis und
Strahlungshärte erzielen kann als bei den bisher vorgeschlagenen Röntgenblitzröhren
mit Gas- oder Dampffüllung. Trotz der höheren Dosis bleibt die Entla,lungsdauer
kurz und betrügt etwa io- '' Sekunden. Zu diesem Vorteil kommt noch der einfache
Aufbau der neuen Röhre hinzu, der für ihre Herstellung und ihren Betrieb günstig
ist.
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Wie die Erfindung praktisch ausgeführt wird und welche Einzelheiten
bei der technischen Ausgestaltung des neuen Röntgenblitzrohres noch von Bedeutung
sind, kann ain besten an Hand der Figuren erläutert «-erden. In Fig. i it ein Röntgenblitzrohr
für Vakuumdurchschlag dargestellt, das sich praktisch gut bewährt hat. Das Gefäß
besitzt eine metallische Wandung i, die mit einem Boden 2 vakuumdicht verbunden
ist. In diesem Boden ist eine Dichtung 3 vorgesehen. Die mechanische Verbindung
wird durch die Schrauben 5 und 6 besorgt. Auf der Gefäßwand i sifzt ein metallisches
Zwischenstück, das seinerseits wieder einen Isolator 8 trägt. Dieser hat einen Bund
c9, der sich gegen das Zwischenstück ; abstützt. Eine zentrale Bohrung io im Isolator
dient zur Aufnahme der Stromzuführung i i für die stabförinige Kathode 12. Diese
Kathode besteht aus einem thermisch widerstandsfähigen Material und wird vorzugsweise
am Encle angespitzt, um beim Anlegen der Betriebsspannung in der Umgebung ihrer
Oberfläche eine hohe Feldstärke zu erhalten. Weitere Einzelheiten bezüglich des
Aufbaues der Kathode werden an Händ einer weiteren Figur im folgenden beschrieben
werden. Der Kathode gegenüber steht in einem gewissen Abstande die Anode 13. Diese
ist gleichfalls fest und besteht aus einem ':\Tetall hoher Ordnungszahl, das schwer
verdampfbar ist, z. B. aus `Wolfram. Sie ist als eine ovale, gegen die Elektronenflugrichtung
geneigte Scheibe ausgebildet und sitzt auf einem Träger 1d., der eine kleinere seitliche
Ausdehnung hat als die Anodenplatte, so daß seine Seitenfläche durch die verhältnismäßig
großflächige Anodenplatte gegen die von der Kathode herkommenden Elektronen wirksam
abgeschirmt wird. Die Röntgenstrahlen, die beim Aufprall der Ladungsträger auf die
Anode erzeugt werden, können durch ein Fenster 15 die Rölii-e verlassen.
An den Boden a des Entladungsgefäßes ist die Punipleitung i6 für die Vakuumhaltung
angesetzt. Die Ano:_le hat eine längliche, ovale Form und ist so angeordnet, daß
sie mit ihrer Schmalseite dem Fenster zugekehrt ist. Sie wird auf ihrer ganzen Oberfläche
von Elektronen getroffen. Dadurch erscheint der Röntgenbrennfleck, der mit der Anodenfläche
identisch ist, klein, obwohl die Fläche der Anode verhältnismäßig -roll ist. Es
ergibt sich also zwar eine verhältnismäßig geringe spezifische Flä.elienbelastung
der Anode, trotzdem aber viii kleiner scheinbarer Brennfleck.
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Von wesentlicher Bedeutung für das Arbeiten der Röhre ist die Ausbildung
cler Kathode. Die Kathode kann durch einen massiven Stift gebildet werden, der in
dieseln Falle dünn sein muß, damit ein entsprechend starke: Feld entsteht. Auch
kann der Stift an seinem der Anode gegenüberstehen(Icn Ende angespitzt sein. Noch
besser als ein massiver Stift bewährt sich ein Kathoden-Stift, der eine zentrale
Bohrung aufweist. Das untere Ende einer solchen Kathode ist in F i-. 2 dargestelt.
In dieser ist der Isolator wieder mit 8 bezeichnet, während 17 ilie Kathode i"st,
die eine zentrale Bohrung 18 aufweist. Die Stirnfläche der Kathode 1; ist in an
sich bekannter Weise angeschärft oller abgerundet, was sich als noch besser erwiesen
hat. Eine solche Kathode hat dauernd gleichbleibende Betriebseigenschaften. Der
Grund hierfür ist vermutlich folgender: Man kann sich den Durchschlag im X akuum,
also den Aufbau der Entladung in einer Röhre nach der Erfindung etwa in der Weise
vorstellen, daß zunächst durch Feldemission Elektronen aus der Kathode freigemacht
werden. Das Entladungsrohr wird aus einem Kondensator gespeist, der hierbei entladen
wird, so daß seine Spannung sinkt. i Trotzdem steigt der Strom im Rohr rasch an.
Der Grund hierfür ist offenbar, dar) durch Verdampfung kleiner Metallspitzen der
Kathode eine Dampfwolke vor der Kathode entsteht. Die Dampfatome werden durch Elektronenstoß
ionisiert und bilden eine positive Raumladung, durch welche die Feldstärke vor der
Kathode erhöht wird. Dadurch werden noch mehr Elektronen frei. Die Ionisierung schreitet
fort, und der Strom nimmt rasch beträchtliche Werte an. Durch Verdampfung wird die
Kathode abgetragen, so daß ein massiver Stift nach längerer Betriebszeit eine gewisse
Verkürzung zeigt und abgerundet wir 1. Anders ist dies jedoch, wenn die Kathode
-eniäf) Fig. 2 mit einer zentralen Bohrung versehen wird. Bei einer :olcheii Kathode
wird ein Teil .des abdampfenden Kathodenmetalls von anderen Teilen der Katlio,lenol>erfl:iche
abgefangen und bildet -lort feine Spitzen,- so daß die durch das Vcrdampfen des
Kathodenmetalls zerstörten
Spitzen regeneriert werden. Dies ist
offenbar der Grund dafür, daß eine Kathode nach Fig. z auch bei langer Betriebsdauer
stets in gleichbleibender Weise arbeitet.
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Die aus der Kathode freigemachten Elektronen prallen mit großer Wucht
auf die Anode auf. Dadurch werden anodische Teile verdampft, und es-bildet sich
um die Anode herum eine Dampfatmosphäre, in der Ionen entstehen, die ihrerseits
wieder auf die Kathode fliegen und neue Elektronen auslösen. Die Abdampfung des
Anodenmaterials und die damit entstehendeDampfatmosphäreführt offenbar schließlich
auch den Zusammenbruch eler Entladung herbei, und es ist daher notwendig, den Abstand
zwischen Kathode und Anode verhältnismäßig groß, z. B. bei Spannungen von i5o kV
etvra a0 bis 30 mm, zu w 'hlen, weil sonst die Entladung zu rasch ZD zusammenbricht.
Durch entsprechende Wahl des Abstandes der Elektroden, des Elektrodenmaterials und
der Spannungen kann man daher die Dauer und Intensität der Röntgenemission und damit
auch ihre Dosis beeinflussen: denn in dem Rohr ist ja zu Beginn der Entladung keine
Dampfatmosphäre vorhanden, sondern die Dampfbildung setzt erst mit der Entladung
ein, im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Röhren, bei welchen stets von Anfang
an eine gewisse Dampfatmosphäre im Rohr vorhanden war und bei denen man verschiedene
Mittel verwenden mußte, um einen zu raschen Zusammenbruch der Entladung zu verhindern.
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Um eine Bestäubung des Isolators 8 mit verdampftem Elektrodenmetall
zu vermeiden, die zu Isölationsschwierigkeiten führen könnte, :erhält der Isolator
8 oberhalb der Kathocle einen verhältnismäßig breiten Bund ig, der den Dämpfen das
Eindringen in den Raum 2o erschwert.
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Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, anodische Teile, die
eine störende Röntgenstrahlung geben könnten, mit Isolator- oder Halbleiterschichten
zu bedecken. Man kann auch Isolatoren zum -Schutze dieser Teile verwenden, die mit
Halbleiterschichten überzogen sind. Die Verwendung von Halbleiterschichten ist wegen
der Abführung der sich auf der Oberfläche der Isolierkörper ansammelnden Ladungen
vorteilhaft.
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Die Verwendung einer metallenen Gefäßwand hat den Vorteil, daß diese
Wand samt der Anode auf Erdpotential gelegt werden kann und so ein sicherer Berührungsschutz
vorhanden ist. Man kann den Metallmantel auch so ausbilden, daß durch ihn dieRöntgenstrahlen
möglichst absorbiert werden, so daß er gleichzeitig einen wirksamen Strahlungsschutz
darstellt. Einen. erhöhten .Berührungsschutz kann man ferner noch erreichen, wenn
man die Betriebsspannung der Röhre mit einem Hochspannungskabel zuführt, das mit
seinem Ende in den Isolator 8 eingeführt (eingesteckt) werden kann. Durch diese
--%laßnähmen wird die ganze Röhre verhältnismäßig klein, kann transportiert «-erden
und ist gegen mechanische Beanspruchungen unempfindlich. Das letztere ist wichtig,
wenn die Röhre beispielsweise zu Untersuchungen an Arbeitsmaschinen oder ähnlichen
Anlagen verwendet werden soll.
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Was die Dimensionierung der Gefäßhülle betrifft, braucht man lediglich
auf eine einzige Forderung Rücksicht zu nehmen, die darin besteht, daß der Gefäßmantel-
von der Entla#lungsstrecke so weit entfernt sein muß, dal die Entladung auf alle
Fälle zur Anode, nicht aber nach dem Gefäßmantel selbst überschlägt. Bei den verhältnismäßig
kleinen Elektrodenabständen, die im allgemeinen verwendet werden können, ist die
Bedingung sehr leicht einzuhalten.