DE8512064U1

DE8512064U1 - Röntgenröhre

Info

Publication number: DE8512064U1
Application number: DE8512064U
Authority: DE
Original assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Current assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1985-08-22
Also published as: JPS6122545A; IL71676A0; DE3514700A1

Description

T_r Ii · · ·

I I I I I ·

RÖNTGENRÖHRE

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf eine Röntgenröhre,
insbesondere auf eine hochfokussierende Röntgenröhre, die in
der Lage ist- sehr kleine StrahiAnnnnicte mit einer hohen Elektronenbrillianz zu erzeugen.

Hochfokussierende Röntgenröhren finden zunehmende Anwendung in der Industrie, der Medizin und der Wissenschaft. Von den zahlreichen Anwendungsfflöglichkeiten seien aufgeführt: Röntgenlithografie in der Mikroelektronik-Industrie, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in der metallurgischen Industrie, Diagnose von Tumoren in der Medizin, z.B. Frühdiagnose des Brustkrebses.

In der Vergangenheit wurde eine ganze Anzahl von hochfokussierenden Röntgenröhren entwickelt, die jetzt noch in Gebrauch
sind, die aber nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend sind. Die meisten der bekannten Röntgenröhren erzeugen nämlich
Strahlpunkte in der Grössenordnung von 160 - 750 mikron; bei
manchen Anwendungsfällen wäre es aber sehr wünschenswert, noch kleinere Strahlpunkte zur Verfügung zu haben, nämlich mit einem Durchmesser von 100 mikron oder weniger. Andere bekannte Röntgenröhren erzeugen kleine Strahlpunkte in dieser Grössenordnung, die jedoch keine- Brillianz besitzen. Wieder andere Rönt-

P 1510 / 19.04.85 0174P

• ■ · Il

• -» *C - t I

genröhren, die kleine Strahlpunkte mit hoher Brillianz erzeugen, sind sehr kompliziert und teuer in der Herstellung, benötigen in der Regel schwere Magnete zur Erzeugung von magnetischen Feldern und/oder bedürfen einer speziellen Geometrie in der Elektrodenanordnung für jede gesonderte Anwendung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine hochfokussierende Röntgenröhre zu schaffen, die hinsichtlich der oben aufgeführten Problemen eine deutliche Verbesserung bringt und die Vorteile gegenüber den bekannten Röntgenröhren bietet. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine hochfokussierende Röntgenröhre zu schaffen, die in der Lage ist, sehr kleine Strahlpunkte mit hoher Elektronenbrillianz zu erzeugen, die gleichzeitig einen einfachen und kompakten Aufbau besitzt und die innerhalb eines breiten Bereiches hinsichtlich Betriebsspannung, Strömen und Strahlpunktabmessungen betrieben werden kann, je nach speziellem Anwendungsgebiet.

Die Neuerung geht von einer Röntgenröhre der im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 bezeichneten Art aus. Bei einer solchen Röhre werden die Neuerungsaufgaben durch die im Kennzeichen des Schutzanspruches 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem in der Folge beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei weitere Elektroden vorgesehen, nämlich noch eine dritte,

P 1510 / 19.04.85 0174P

lilt«»

• 1 ι«ι " Ii > ι ·

mit Öffnungen versehene Elektrode, die vor der zweiten Elektrode angeordnet ist und die mit einem Potential beaufschlagt ist, um eine weitere Fokussierung des Elektronenstrahls zu bewirken, sowie eine vierte, mif Öffnungen versehene Elektrode, die vor der dritten Elektrode angeordnet ist und die mit einem Potential beaufschlagt ist, um eine noch weitergehende Fokussierung des Elektronenstrahls zu bewirken.

Es geht daraus hervor, dass im Gegensatz zu konventionellen Röntgenröhren, bei denen eine Elektronenkanone für übliche Kathodenstrahlröhren verwendet wird, eine Kathodenanordnung mit einer Vorratskathode und einer als gelochte Elektronenkanone ausgebildete Fokussierelektrode Verwendung finden, die die Vorratskathode umgibt. Eine solche gelochte Elektronenkanone wird üblicherweise in Mikrowellenröhren angewandt, hauptsächlich, um eine laminare Strömung zur Vermeidung von Elektronenrauscltien zu erzeugen; ein Fokussieren des Elektronenstrahls zu einem kleinen Punkt ist in jener Anwendung nicht erforderlich. Die gelochte Elektronenkanone als Fokussierelektrode fokussiert den Elektronenstrahl auf ungefähr die Hälfte oder einen Drittel seines ursprünglichen Durchmessers, was für eine hochfokussierende Röntgenröhre natürlich viel zu wenig ist. Im vorliegenden Fall, mit der neuartigen Röntgenröhre gemäss der vorliegenden Neuerung, wird die gelochte Elektronenkanone dazu verwendet, einen Elektronenstrahl mit hoher, gleichmässiger Stromdichte

P 1510 / 19.04.85 0174P

t ι ·

, i

• * » .» 17 - · it

··· · ι |Ί ι ι ι ι ι

und mit hoher Brillianz zu erzeugen. Ausserdem ist ein Elektrodensystem vorgesehen, in gewisser Hinsicht ähnlich zu einem
solchen, wie es in Elektronenmikroskopen Verwendung findet, um
den Elektronenstrahl weiter zu fokussieren, bevor er auf die
Fanganode auftrifft. Während also eine konventionelle, gelochte
Elektronenkanone von Mikrowellenröhren den Elektronenstrahl bezüglich seines Durchmessers auf etwa die Hälfte oder einen | Drittel des Anfangsdurchm^ssers verringert, ist die Röntgen- ? röhre gemäss der vorliegenden Neuerung in der Lage, eine r Durchmesserverringerung auf etwa einen Sechzehntel oder noch | weniger des Anfangsdurchmessers zu gewährleisten. |

Wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird, können mit |

ί dem neuerungsgemässen Vorschlag hochfokussierende Röntgenröh- | ren erzeugt werden, die einen Strahlpunkt mit sehr geringem | Durchmesser (in der Grössenordnung von 40 mikron) und mit sehr ϊ hoher Elektronenbrillianz zu liefern imstande sind. Gleichzei- \ tig eignen sich diese Röhren für einen Einsatz in einem weiten ' Bereich von Spannung, Strom und Strahlpunkt-Abmessung, je nach
vorgesehenem Anwendungsgebiet. Ein weiterer Vorteil ist darin
zu sehen, dass die Konstruktion der neuerungsgemäss vorge- I schlagenen Röhre sehr einfach und kompakt ist, da sie keine
Magnete oder komplizierte Elektrodensysteme spezieller geometrischer Konfiguration erfordert.

P 1510 / 19.04.85 .. . 0174P

··■ ι ι ο"ι ·····

Weitere Merkmale und Vorteile des Neuerungsgegenstandes gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Neuerungsgegenstandes, mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform der neuerungsgemässen Röntgenröhre, und

Fig. 2 einen detaillierten Längsschnitt in vergrößertem Mafistab durch die Elektronenkanone der Röhre von Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenröhre umfasst ein evakuiertes Gehäuse, z.B. aus Glas oder Keramik, welches am einen Ende eine Elektronenkanonen-Anordnung 3 und am anderen Ende eine Anodenanordnung aufnimmt, welche die Fanganode 4 umfasst, die vom Elektronenstrahl getroffen wird und dabei Röntgenstrahlen erzeugt, die durch ein Fenster 5 aus der Röhre austreten können. Die Elektronenkanonen-Anordnung 3 ist deutlicher in Fig. 2 dargestellt und wird weiter unten noch näher beschrieben werden. Die Anodenanordnung kann von bekannter Konstruktion sein, in der die Fanganode 4 durch eine Wolfram-beschichtete Kupferkonstruktion gebildet ist, die hohl ausgebildet ist, so dass eine Kühlflüssigkeit, wie z.B. OeI, durch diese zirkulie-

P ISlO / 19.04.85 0174P

• tit··· IiIII t ■ · ·

■··· I It I !If··

ren kann. Das Fenster 5 der Röhre kann ebenso in bekannter Weise ausgeführt sein, z.B. aus Berryllium. Die von der Fanganode 4 erzeugten Röntgenstrahlen durchlaufen einen defokussierenden Faraday-Käfig 6, bevor sie aus dem Fenster 5 ,austreten, wie es bei bekannten Konstruktionen von Röntgenröhren ebenfalls üblich ist.

Die Ausbildung der Elektronenkanonen-Anordnung 3 hingegen unterscheidet sich von bekannten Lösungen und ist in der Fig. 2 im Detail dargestellt. Demgemäss umfasst sie eine Kathodenanordnung mit einer Vorratskathode 10, die eine Elektronen aussendende Oberfläche 11 aufweist. Von dieser aus wird ein Elektronenstrahl mit hoher, gleichmässiger Stromdichte und hoher Brillianz abgestrahlt. Die Kathode 10 wird durch einen Heizwendel 12, der aber Drähte 13 mit elektrischem Strom versorgt wird, indirekt geheizt.

Die Strahlungsfläche 11 (d.h. die die Elektronen abstrahlende Oberfläche) der Vorratskathode 10 wird durch eine gelochte Elektrode 14 umgeben, also eine sog. Lochkanone, die eine Ausbildung hat, welche ein Sammeln des Strahles zur Erzeugung eines anfänglichen Fokussiereffektes beim Elektronenstrahl bewirkt. Demzufolge ist die Strahlungsfläche 11 der Kathode von kreisrunder Gestalt, um einen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt auszusenden. Die Elektrode 14, die auf dem Potential

P 1510 / 19.04.85 0174P

Il Il Ia I · I I I I /'/

It · - » 10 - t · I ''

• ii « »Ti um

I «II··· » I)M I I I ·

ι ι (la it ·

il I I» I III··

der Kathode liegt, besitzt konkave Gestalt, um den Strahl im Durchmesser auf die Hälfte oder einen Drittel seines ursprünglichen Durchmessers beim Austritt aus der Strahlungsfläche 11 zu verkleinern; dieser Effekt tritt auch bei der bekannten Anordnung mit gelochten Elektronenkanonen auf.

Allerdings unterscheidet sich die Anordnung gemäss der vorliegenden Neuerung von einer konventionellen gelochten Elektronenkanone dadurch, dass zwischen der Fokussierelektrode 14 and der Fanganode 4 (Fig. 1) drei weitere, mit öffnungen versehene Elektroden vorgesehen sind, nämlich:

- Eine mit öffnungen versehene Elektrode 15 liegt unmittelbar vor der gelochten Fokussierelektrode 14 und wird mit einem Potential beaufschlagt, dessen Höhe den Strom des Elektronenstrahls steuert.

Eine mit öffnungen versehene Elektrode 16 liegt unmittelbar vor der Elektrode 15 und wird mit einem Potential beaufschlagt, um den Elektronenstrahl weiter zu fokussieren.

- Eine Elektrode 17, die einen ebenen Bereich 17a und einen Strahlfokussierbereich 17b aufweist, liegt unmittelbar vor der Elektrode 16 und wird mit einem Potential beaufschlagt, und den Elektronenstrahl noch weiter zu fokussieren.

Die elektrischen Verbindungen zu den Elektroden 15, 16 und 17 sowie zur Kathodenanordnung, inklusive Heizwendel 12, erfolgen

P 1510 / 19.04.85 0174P

,1 .r· · ·· IfII ··

I I (

• -»11-··· W

•111·····

I III«·· III!···

I I «II · · ·

•·ιι · ii · ·····

über Leiterstifte 2O₁ die im Boden der Röhre, diesen durchdringend, angeordnet sind. Zusätzlich ist die Kathodenanordnung einerseits mit einer inneren Konvektions-Wärmeabschirmung 21 und andererseits mit einer äusseren Strahlungsabschirmung 22 versehen; beide bestehen aus Metall und sind von bekannter Konstruktion.

Bei der in den Zeichnungen beispielsweise dargestellten Ausführung besitzt die Strahlunsflache 11 der Vorratskathode 10 einen Durchmesser von 1 bis 2 mm. Die Ausbildung der gelochten Fokussierelektrode 14 ist so gewählt, dass der Durchmesser des Elektronenstrahles auf ungefähr die Hälfte reduziert wird. Die Elektrode IS ist in einem Abstand von 0.8 - 1.22 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 1.0 mm vor der Elektrode 14 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen 200 und 1500 V, um den Strom im Elektronenstrahl zu steuern. Die Elektrode 16 ist in einem Abstand von 1.6 - 2.4 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 2.0 mm vor der Elektrode 15 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen 800 und 1500 V, um auf den Elektronenstrahl, der durch ihre Öffnung hindurchtritt, eine fokussierende Wirkung auszuüben. Die Elektrode 17 ist in einem Abstand von 1.6 2.4 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 2.0 mm vor der Elektrode 15 angeordnet und ist auf einem Potential zwischen 1000 und 5000 V, um auf den Elektronenstrahl eine noch weitergehende, fokussierende Wirkung auszuüben. Damit ist der Durchmesser

P 1510 / 19.04.85 0174P

■ it * ' 4 ι κ mi

tr · ·· * 1 £ ·· t Ii

·(· · <β till

• III··· ( ι C I · I t I

des schlussendlich austretenden Elektronenstrahls auf einen Sechzehntel oder weniger gegenüber dem ursprunglichen Durchmesser verringert, d.h. gegenüber dem Durchmesser beim Austritt aus der Strahlungsfläche 11 der Vorratskathode 10.

Die Spannung zwischen Anode und Kathode kann im Bereich zwischen 5 kV und 100 kV liegen, und der Elektronenstrom kann zwischen 2 mA und 20 mA liegen. In Versuchen hat man festgestellt, dass eine solche Röhre Punktabbildungen mit einem Durchmesser zwischen 40 mikron und 1500 mikron erzeugen kann, mit einer Elektronenstrahl-Brillianz (B) von 100 kW/mm², wobei als Lebensdauer der Röhre eine Betriebszeit von 1000 h zu erwarten ist. Eine solche hochfokussierende Röntgenröhre hat sich insbesondere bei der Frühdiagnose von Brustkrebs als äusserst wertvoll erwiesen.

Die Röntgenröhre gemass der vorliegende Neuerung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels naher erläutert. Es versteht sich, dass im Rahmen der Neuerung zahlreiche Variationen und Anwendungen denkbar sind. So kann z.B. der Winkel der gelochten Fokussierelektrode 14 geändert werden, beispielsweise zur Vergrösserung ihrer Fokussierwirkung bei einer bestimmten Anwendung. Ausserdem können die zur Anwendung gelangenden Spannungen vergrössert werden, indem die Abmessungen der Röhre entsprechend angepasst werden.

P 1510 / 19.04.85 , , 0174P

»•ft t · t 1

Zahlreiche weitere Variationen, Modifikationen und Anwendungen sind dem mit der Materie vertrauten Fachmann klar.

P 1510 / 19.04.85 0174P

• et»* it

Claims

SCHÜTZANSPRÜCHE

1. Hochfokussierende Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, einer innerhalb dieses Gehäuses angeordneten Kathodenanordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine innerhalb dieses Gehäuses angeordneten Fanganode, auf welche der Elektronenstrahl auftrifft und welche Röntgenstrahlen erzeugt, die durch ein Fenster aus dem Gehäuse austreten, und mit einer zwischen der Kathodenanordnung und der Fanganode angeordneten Elektrodenanordnung zur Steuerung des Elektronenstrahls vor dessen Auftreffen auf der Fanganode, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenanordnung eine als gelochte Elektronenkanone ausgebildete Vorratskathode (10) mit einer Strahlungsfläche (11) zur Aussendung eines Elektronenstrahles aufweist, und dass die genannte Elektrodenanordnung eine erste, als gelochte Elektronenkanone ausgebildete, die Vorratskathode (10) umhüllende Elektrode (14) 3?it einer Ausbildung zur anfänglichen Fokussierung des Elektronenstrahls, eine zweite, mit öffnungen versehene, vor der ersten Elektrode (14) angeordnete Elektrode (15) sowie mindestens eine weitere, vor der zweiten Elektrode (15) angeordnete Elektrode (16 bzw.17) aufweist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Elektroden (16, 17) vorgesehen sind, die vor der genannten zweiten Elektrode (15) angeordnet sind.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die /ierte Elektrode (17) einen gegen die dritte Elektrode (16) gerichteten, ebenen Bereich (17a) sowie einen Strahlformungsbereich (17b) umfasst, der vor dem ebenen Bereich (17a) liegt.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge-%

% kennzeichnet, dass die genannte, zweite Elektrode (i5) eben und

in einer Distanz von 0,8 - 1.2 mm vor der ersten Elektrode (14) f angeordnet ist.

:

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (15) in einer Distanz von 1.0 mm vor der ersten Elektrode (14) angeordnet ist.

6. Röntgenröhre nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte, dritte Elektrode (16) eben und in einer Distanz von 1.6 - 2.4 mm vor der zweiten Elektrode (15) angeordnet ist.

7. Röntgenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (16) in einer Distanz von 2.0 mm vor der zweiten Elektrode (15) angeordnet ist.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskathode (10) kreisförmig? Gestalt und einen Durchmesser von 1 - 2 mm besitzt.

• · I # 1* *
• · t I I I

• · * I I I » »

• ■ (I I I I t ·

• · I ( I I

• ■« W · * ♦ · · ··♦■*♦

9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorratskathode einen Durchmesser von 1.5 mm besitzt.

10. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskathode (10) durch einen in ihrem

Τ·*»α~.»~ ~~.~-.^~A~-.*■-.-. U_ {_..__ J-1 t 1 1 Λ 1 12..Ll. L-I-J. 1 _ j. 1

<iiiiu>vu (nigvviuiiBbiill aio Λ * If Cliuc X \. ± i. J iUUllCM jjCUClil 191, UIIU dass sie eine endseitige Wand besitzt, welche die Strahlungsfläche (11) bildet.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Heizwendel (12) umgebende Wärmeabschirmung vorgesehen ist.