-
Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigen Röntgenstrahlung hoher
Intensität unter Zuhilfenahme eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes - Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigem Röntgenstrahlung hoher
Intensität unter Zuhilfenahme eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes. Erfindungsgemäß-
wird ein Entladungsgefäß mit niedriger Bogenspannung verwendet, in dem bei einer
zur Erzeugung vctn Röntgenstrahlen ausreichend hohen, an den Elektroden liegenden,
Spannnxnig bei einem solchen Druck des Füllgases oder Fülldampfes eine Entladung
gezündet wird, daß bereits vor dem Sparmungszusemmenbruch ein durch Ionisationswirkung
verstärkter Elektronenstrom zur Anode gelangt. Mit einer ,solchen Einrichtung gelingt
es, Röntgenstrahlung von sehr hoher Intensität und äußerst kurzer Zeitdauer zu erzeugen.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß bei steuerbaren; gas-oder dampfgefüllten
Entladungsg fäßen, die mit verhältnismäßig geringer Bogenspannung, z. B. 40 Volt,
arbeiten, die aber in der Durchlaßrichtung des Entladungsgefäßes eine sehr hohe
Sperrfähigkeit besitzen, im Augenblick der Zündung des Entladungsgefäßes eine
außerordentlich
starke Röntgenstrahlung auftritt. Die Dauer dieser Strahlung hängt von der Geschwindigkeit
des Zusammenbruches der Spannung an den Elektroden des Entladungsgefäßes ab und
liegt in der Größenordnung von i0-6 bis i0-5 Sekunden. Speist man ein derartiges
Entladungsgefäß mit Wechselstrom. so ist die Röntgenstrahlung um so intensiver,
je häh-er die Anodenspannung im Augenblick der Zündung des Entladungsgefäl3°s ist.
Die stärkste Strahlung erhält man also bei der Zündung im Spannungsscheitel. Die
Röntgenstrahlung kommt offenbar dadurch zustande, da13 im Augenblick der Zündung
die Elektroden- und Leitungskapazitäten des Rohres noch nicht entladen sind. so
daß sie nach: Freigabe der Elektronen aus der Kathode durch. das Steuergitter zur
Erzeugung einer großen Anzahl sehr rasch fli°gtnder Elektronen führen. die beim
Auftreffen auf die Anode oder sonst:aL metallisch.- Einbauteile des Gefäßes die
Emission von Röntgenstrahlen veranlassen. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen tverden
nun bei der Erfindung in einer besonderen Weise verwertet. Es kommt insbesondere.
wie der Erfinder erkannt hat. darauf an. daß sofort nach dem Anlegen der Spannung
zwischen den Hauptelektroden des Rohres bzw. nach Beseitigung der Sperrung der Entladungsstrecke
ein sehr hoher Elektronenstrom nach der Anode fließt; denn von der Größe dieses
Elel;ironensiromes ist ja die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung abhängig.
Wählt man nun einen: geeigneten Druck des Füllgases. oder Fülldampfes, z.. B. bei
der Verwendung von Edelgasen zur Füllung des Gefäßes einen Gasdruck von, etwa i
- io-= mm H- oder bei der Verwendung von Ouecl:silberdampf einen Quecksilberdampfdruck
hei einer Temperatur von etwa 25 , dann baut sich mit außerordentlicher-Schnelligkeit
Litt sehr hoher Elektronenstrom auf, bei dessen Entstehung die lonisatiGnswirkung
im Gas- oder Dampfraum eine wesentliche Rolle spielt. Bei geeigneter Wahl des Gas-
oder Dampfdruckes. z. B. in der angegebenen Größenordnung, gelingt es, in außerordentlich
kurzer Zeit, bevor also noch die Spannung an den Elektroden zusammenbricht. einen
sehr starken Elektronenstrom zu erzeugen, der nach der Anode fließt. Die Größe dieses
Stromes kann einige ioo Ampere betragen. Da dieser hohe Strom zu eurem Zeitpunkt
entsteht, zu dem die Spannung noch nicht wesentlich abgesunken ist, ergibt sich
nicht nur eine intensive, sondern auch harte Röntgenstrahlung. Andererseits geht
aber die Entladung in so kurzer Zeit in eitre Entladungsform von niedriger Bogenspannung
über. daß die intensive und harte Röiitgenstrahlung nur sehr kurzzeitig ist. Die
Dauer der Röntgenstrahlung liegt in der Größenordnung von etwa io-s Sekunden. Es
gelingt also, bei Verwendung eines Entladungsallfälles gemäß der Erfindung und bei
der angegebenen Wahl des Gas- bzw. Dampfdruekes eine sehr starke und harte Röntgenstrahlung
zu erzeugen. deren Zeitdauer gleichzeitig durch den. Übergang der Etatladung in
eine Bogenentladung mit kleinem Spannungsabfall sehr eng begrenzt ist.
-
Es ist zwar bereits vorgeschlagen «-orden, bei einer Röntgenröhrenanordnun<<
die Kathode aus Ouecksilher oder einem ähnlichen sich im Betriebszustand: ständig
erneuernden Stoff herzustellen und den Entladungsstrom schneller ansteigen zu lassen,
als es die für (las Kathodenmaterial charakteristische Emission zuläßt. Bei dieser
Rönigenröhrenanordnung handelt es sich darum. eine Röhre mit Quecksilberkathode
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen brauchbar zu machen. Durch die angegebene Bemessung
des Stromanstieges soll ein vorzeitiges Zusammenbrechen der Spannung an, den Elektroden
vermieden werden. Es liegt im Sinne der der vorgeschlagenen Anordnung zugrunde liegenden
Aufgabe, den Dampidruck in dem Entladungsgefäß möglichst niedrig zu wählen. Im Gegensatz
hierzu wird bei der Erfindung von wesentlich grö13eren Dampfdrucken Gebrauch gemacht
und durch diese einerseits erzielt, daß der Elektronenstrom schon vor dem Spannungszusammenbruch
einen besonders großen Wert erreicht, andererseits aber der Spannungszusammenbruch
-durch Übergang der Entladung in einen Lichtbogen in so kurzer Zeit erreicht «-ard.
daß sich eine außerordentlich kurzzeitige Röntgenstrahlung ergibt. Diese Aufgabe,
die Röntgenstrahlung möglichst kurzzeitig zu machen und trotzdem eine hohe Intensität
und Härte der Strahlung zu erzielen, liegt bei der erwähnten. bereits vorgeschlagenen
Einrichtung nicht vor, und auch die Maßnahmen, die zur Lösung dieser Aufgabe dienen.
unterscheiden sich von den 'Maßnahmen, die: bei der erwähnten Einrichtung getroffen
«-erden.
-
Eine Anordnung, die für die periodische Erzeugung von Röntgenstrahlen
gemäß der Erfindung geeignet ist, zeigt Abb. i. Eine hier als indirekt geheizte
Glühkathode dargestellte Kathode, die aber auch eine flüssige Kathode oder eine
direkt geheizte Glühkathode sein kann, wird von der aus einem Sch-,vermetall, wie
Wolfram oder Tantal. bestehenden Anode 2 durch eitre als Steuerelektrode wirkende
Zwischenelektrode 3 abgetrennt. Um möglichst alle Elektronen aus der Kathode durch
die Steuerelektrode zur Anode kommen zu lassen. ist die .\node 3 110c11
Von einem 1t11
allgemneinen auf Anodenpotential befindlichen
Schutzrohr- umgeben, das, über den Widerstand 5 an die Anode angeschlossen ist.
Als Spannungsquelle für das Rohr dient der Kondensator 6, der. von einer Spannungsquelle
aufgeladen -wird,- deren Art für die Erfindung unwesentlich is.t. Man: muß nur dafür.
sorgen; däß die Stromzufuhr zum Entladurrgs@g.efäß einen bestimmten Wert nicht überschreiten
kann... Man wird- des@hialb@ den Kondensator über inen Vorwiderstand aufladen oder
eine Spannungsquelle genügend hohen inneren, Widerstandes verwenden. Man kann den
Kondensator an, eine Wechselstromquelle, anschließen und erhält dann nur während:
- der jeweils positiven Halbwelle eine Emission von Rön_ bgenstrahlen.
-
-Am Boden des Enfiadungsgefäßes befindet sich-ein Ouecksilbertropfen,
der auf geeigneter Temperatur, z. B. etwa 2,5°; -,gehalten wird, auch kann das Entladungsigefäß
mit Edelgasen oder Edelgas@gemisc'hen geeigneten Druckes, z.-B. i - io-2 mm Hg,
-gefüllt werden. Wenn der Einsatz 3 aus .dem Gebiet negativer, Vorspannungen positiv
-gegen die Kathode aufgeladen wird, so zündet die Entladung von der Kathode i zur-
Anode 2. Wenn dabei durch genügende kleine- Impedanzen; in den Zuleitungen vom,
Kondensator zum Rohr dafür gesorgt wird, daß die Anodenspannung am Rohr nicht im
gleichen Augenblick zusammenbrechen'kann, so setzt ein sehr intensiver Elektronenstrom
bis zur Entladung des Kondensators ein. Der kurzzeitige Elektronenstrom kann mehrere
ioo Ampere betragen, so daß momentane Röntgenblitze von mehr als iooofacher Intensität
als bei den bisher verwendeten Röntgenröhren erzeugt werden können. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Ieit.ungskapazitäb durch zusätzliche Kapazitäten vergrößert wird,
so, daß die Spannung nicht zu schnell durch; die Entladung des Kondens.ators@ zum
Zusammenbrechen; kommt. Ist der Kondensator entladen, dann erlischt die Entladung
im Rohr, und der Kondensator muß dann, wieder neu aufgeladen werden, um bei agenügend,
hoher Anodenspannung den Vorgang von neuem einleiten zu können. Die Gas- oder Dampffüllung
des Entladungsgefäßes sorgt wie bei jedem Stromrichter durch Bildung positiver Ionen
dafür, däß der hohe Elektronenstrom tatsächlich zur Anode fließen kann; und nicht
durch seineeigene Raumladung geschwächt wird. Um die Kathode vor dem intensiven
Bombardement mit positiven Ionen zu. schut.-zen, ist in die Steuerelektrode 3 ein
Auffänger 8 eingebaut, der nach Art eines Faraday-Käfigs die auf die Kathode zufliegenden
Ionen auffängt. In bekannter Weise sind die Kanten dev spannungführenden Elektroden
gegeneinander abgerundet und, die Abstände klein gehalten.
-
Verwendungsgebiete für eine Röntgenrohr derartiger Bauweise und Betriebsart
sind vor allem. die Röntgenkinematographie, die zur Belichtung kurz dauernde Lichtblitze
benötigt, welche man auf diesem: Wege einfacher erhält als durch rotierende Bleisektoren.
Vor allem aber ergibt: sich als Verwendungsgebiet die- Materialuntersuchung rasch
umlaufende r Maschinenteile durch stroiboskopische Belichtung. Dieses bisher nicht
ausgeführte Untersuchungsverfahren benötigt gerade die hier zur, Verfügung stehenden
-außerordentlich kurzen und intensiven Röntgenblitze, da bei der angegebenen1 Zeitdauer
von höchstens i - io`5 Sekunden auch sehr rasch umlaufende Teile noch ohne Verwischung
von Einzelheiten untersucht werden können. Es ist zu vermuten, daß nach diesem Verfahre
auftretende Zerrunige.n des Materials sich durch Änderung etwa der Faserstruktur
des Baustoffes bemerkbar machen und; daß die: Entstehung kleiner Spalten oder Risse
im Werkstoff abhängig von dem momentanen Belastungszustand verfolgt werden kann.
-
Außer der hier beschriebenen Bauart sind natürlich ähnliche Anordnungen
möglich, bei denen: die Zündung etwa durch einen in die Kathode eintauchenden Innenzünder
erfolgt, oder bei denen eine höhere Spannungsbelastbarkeit des Röntgenrohres durch
weitere Zwischeneinsätze mit gesteuertem Potential erreicht wird. Diese Einsätze
werden, dann natürlich zweckmäßig so ausgebildet; daß sie gleichzeitig eine elektronenoptische
Konzentrierung des Elektronenstromes, auf die Anode ergeben. Eine solche Konzentrierung
ergibt z. B. bereits der Anodenschutzzylinider ¢, der sich während der Entladung
durch abges.treute Elektronen stark negativ auflädt und damit ein Feld zwischen
sich. und der Anode erzeugt, das, die Hauptmenge der Elektronen auf die Anode sainmelt.
Die Kühlung der Anode kann in der üblichen Weise Pntwe.d.er, durch Strahlung oder
durch besondere, Kühlmittel erfolgen.
-
Um eine möglichst wenig ausgedehnte Röntgenstrahlungsquelle an der
Anode- zu haben, wird man in@ bekannter Weise die Anode etwas albgeschrägt anordnen
(Abib. 2) und den streifend austretenden Röntgenstrahl ausnutzen. Diese Anordnung
ergibt auch bei gleichmäßig bestrahlter Anodenoberfläche einen Strichfokus. Wenn
man, nun die Öffnung in der Zwischenelektrode 3, die der Anode zugewandt ist, besonders,
längagestreckt ausbildet (Ab!b. 3), so entsteht: auf der- Anode eine lineare, Rötgenstrahlungsquelle,
die. durch Ausnutzung der tangential auftreffenden Strahlung wie ein Punktfokus
winkt. Im
übrigen erfolgt die Bündelung der Elektronen auf die Anode
noch besser als bei Hochvakuumröntgenröhren, weil die Raumladung der Elektronen
hier durch -die positiven Ionen aufgehoben wird, der Elektronenstrahl also durch
seine eigene elektrostatische Abstoßung nicht divergiert.