DE911055C

DE911055C - Device for generating short-term X-ray radiation with a hollow intensity

Info

Publication number: DE911055C
Application number: DES6777D
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Max Steenbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1938-04-08
Filing date: 1938-04-08
Publication date: 1954-05-10

Description

Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigen Röntgenstrahlung hoher Intensität Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigen Röntgenstrahlung hoher Intensität, bei der in einem Gas- oder Dampfentladungsgefäß niedriger Brennspannung eine Entladung gezündet wird, und zwar bei einer zur Erzeugung von Röntgenstrahlen ausreichend hohen, an den Elektroden liegenden Spannung bei einem solchen Druck des Füllgases oder Fülldampfes (Edelgasdruck etwa i X io-2 mm QS, Dampfdruck des Quecksilbers bei etwa 25°), daß bereits vor dem Spannungszusammenbruch ein durch Ionisationswirkung verstärkterAnodenstrom zur Anode gelangt. Für die praktische Anwendbarkeit sehr kurzzeitiger Röntgenstrahlungen ist wesentlich, daß die Strahlung so intensiv ist, daß trotz ihrer geringen Zeitdauer dem Leuchtschirm oder der fotografischen Schicht, ganz allgemein gesprochen dem zu bestrahlenden Gegenstand, eine ausreichende Energiemenge zugeführt wird. Die Erzeugung genügend großer Strahlungsintensitäten setzt verhältnismäßig hohe Stromstärken voraus. Die Stromstärke in dem Entladungsgefäß wird jedoch, besonders zu Beginn der Entladung, durch die Elektronenergiebigkeit der Kathode begrenzt.Device for generating a short-term high X-ray radiation Intensity The invention relates to a device for generating a short-term X-rays of high intensity in a gas or vapor discharge vessel low voltage a discharge is ignited, namely at a generation a sufficiently high voltage applied to the electrodes by X-rays such a pressure of the filling gas or filling steam (noble gas pressure about i X io-2 mm QS, vapor pressure of mercury at about 25 °) that already before the voltage breakdown an anode current, amplified by the ionization effect, reaches the anode. For the practical The applicability of very short-term X-rays is essential that the radiation is so intense that, despite its short duration, the fluorescent screen or the photographic Layer, generally speaking, the object to be irradiated, a sufficient one Amount of energy is supplied. The generation of sufficiently high radiation intensities requires relatively high currents. The current strength in the discharge vessel is, however, especially at the beginning of the discharge, due to the electron yield the cathode limited.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, bei einer Einrichtung zur Erzeugung kurzzeitiger Röntgenstrahlung hoher Intensität mittels eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes eine hohe Stromstärke zu erzielen. Nach der Erfindung werden die zur Erzeugung der die Röntgenstrahlung auslösenden Entladung dienenden Elektroteen wenigstens zu Beginn der Entladung einem Vorrat eines ionisierten Gases, Dampfes oder Gas- und Dampfgemisches entzogen. Auf diese Weise ist es möglich, der die Röntgenstrahlung auslösenden Entladung von vornherein eine große Zahl von Elektronen zur Verfügung zu stellen, ohne daß die Zufuhr von Elektronen zu der Hauptentladung zunächst durch negative Raumladung geschwächt wird, welche erst nach dem Zünden der Entladung durch Bildung positiver Ladungsträger kompensiert wird.The invention therefore has for its object in a device for generating short-term high-intensity X-rays by means of a gas or vapor discharge vessel to achieve a high amperage. According to the invention, the to generate the electroteen used to trigger the X-ray radiation at least at the beginning of the discharge a supply of an ionized gas, vapor or gas and vapor mixture withdrawn. In this way it is possible of the X-rays initiating discharge a large number of electrons are available from the outset to put without the supply of electrons to the main discharge initially through negative space charge is weakened, which only after igniting the discharge through Formation of positive charge carriers is compensated.

Einen Vorrat eines ionisierten Gases oder Dampfes kann. man beispielsweise dadurch schaffen, daß die in einem Raum eingeschlossene Gas- oder Dampfmenge auf sehr hohe Temperatur gehalten wird. Einfacher ist es aber, einen Vorrat an ionisierten Gasen oder Dämpfen mit einer Hilfsentladung zu erzeugen. Als Kathode dieser Hilfsentladung kann man die Kathode der zur Erzeugung der Röntgenstrahlungen dienendenHauptentladung benutzen. Als Anode kann man einen die Kathode umgebenden Hohlkörper verwenden.A supply of an ionized gas or vapor can. one for example create in that the amount of gas or steam enclosed in a space very high temperature is maintained. But it is easier to keep a supply of ionized Generate gases or vapors with an auxiliary discharge. As the cathode of this auxiliary discharge one can see the cathode of the main discharge used to generate the X-rays use. A hollow body surrounding the cathode can be used as the anode.

Ein Entladungsgefäß mit einer Hilfsentladungsstrecke gemäß der Erfindung ist in der Fig. i dargestellt.A discharge vessel with an auxiliary discharge path according to the invention is shown in Fig. i.

Mit z ist ein Entladungsgefäß bezeichnet. 2 ist eine Glühkathode, an deren Stelle auch eine Quecksilberkathode treten kann. Die Kathode 2 ist von der Hilfsanode 3 umgeben, welche rohrförmig ausgebildet ist und sich nach oben verjüngt. Die Hilfsanode dient gleichzeitig zur elektrostatischen Abschirmung der Kathode 2. Da diese Hilfsanode nach dem Zünden, der Entladung unter Umständen ein hohes positives Potential erhalten kann, sind die Stromzuführungen zur Kathode mit einem besonderen Abschirmzylinder 4 umgeben, der auf konstantem Potential gegenüber der Kathode gehalten werden. kann. Unter Umständen genügt es auch, den Schirm 4 sich selbst zu überlassen. Man kann in diesem Falle die Spannungsverteilung durch geeignete Wahl gegenseitiger Kapazitäten beeinflussen. Die Kanten des Anodenkörpers 3 und aller übrigen Metallteile der Röhre sind abgerundet, um das Auftreten hoher elektrischer Feldstärken möglichst zu vermeiden. Der Anodenkörper 3 ist an seinem oberen. der Hauptanode 5 gegenüberstehendenEnde mit einem in denAbschirrnzylinder 6 eingreifenden Ansatz versehen, der eine zweckmäßig längliche Öffnung für den Austritt von Elektronen besitzt. Um das Auftreffen positiver Ladungsträger auf die Kathode möglichst zu vermeiden, ist im Innern der Hilfsanode ein Schirmblech 7 angebracht, welches die obere Öffnung der Anode gegenüber der Kathode abschirmt. Der Abschirmzylinder 6 ist mit der Hauptanode 5 über einen Widerstandskörper $ verbunden, der gleichzeitig zur Befestigung des Schirmes 6 an der Anodenzuführung dient. Der Abschirmzylinder 6 ist nach oben hin verlängert, um die Einschmelzung der Anodenzuleitung frei von elektrischen Beanspruchungen zu halten. 9 ist eine im Abschirmzylinder 6 angebrachte, zum Austritt der Strahlung bestimmte Öffnung, die, um den Austritt von Licht zu vermeiden, mit einem dünnen Blech aus Beryllium (Be) abgedeckt sein kann. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Rohr wird zwischen der Kathode 2 und der Hilfsanode 3 eine Entladung aufrechterhalten, durch die das Gas oder der Dampf im Innern der Anode 3 ionisiert wird. Man kann dazu beispielsweise die in Fig. 2 dargestellteSchaltungsanordnung benutzen.A discharge vessel is denoted by z. 2 is a hot cathode, a mercury cathode can also be used in its place. The cathode 2 is from surrounding the auxiliary anode 3, which is tubular and tapers upwards. The auxiliary anode also serves as an electrostatic shield for the cathode 2. Since this auxiliary anode after ignition, the discharge may be high can receive positive potential, the power supply lines to the cathode are with a surrounding special shielding cylinder 4, which is at constant potential with respect to the Cathode are held. can. Under certain circumstances it is also sufficient to have the screen 4 itself leave to yourself. In this case, the stress distribution can be determined by suitable Influence choice of mutual capacities. The edges of the anode body 3 and all other metal parts of the tube are rounded to avoid the occurrence of high electrical power Avoid field strengths as much as possible. The anode body 3 is at its upper. the Main anode 5 opposite end with one engaging in the disconnection cylinder 6 Approach provided with an appropriately elongated opening for the exit of electrons owns. In order to minimize the impact of positive charge carriers on the cathode avoid, a shield plate 7 is attached inside the auxiliary anode, which the shields the upper opening of the anode from the cathode. The shielding cylinder 6 is connected to the main anode 5 via a resistance body $, which simultaneously is used to attach the screen 6 to the anode feed. The shielding cylinder 6 is extended towards the top to free the anode lead from being melted down to withstand electrical stresses. 9 is a mounted in the shielding cylinder 6, opening intended for the exit of the radiation, the opening to allow the exit of light avoid being covered with a thin sheet of beryllium (Be). In which In Fig. 1 shown tube between the cathode 2 and the auxiliary anode 3 is a Discharge is maintained by causing the gas or vapor inside the anode 3 is ionized. The circuit arrangement shown in Fig. 2 can be used for this purpose, for example use.

Das Röntgenrohr ist in dieser Schaltungsanordnung nur schematisch angedeutet. Es sind alle zum Verständnis nicht erforderlichen Teile (Abschirmbleche) weggelassen. Die mit der Fig. i übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen. Zwischen die Kathode 2 und die Hilfsanode3 sind eine Spannungsquelle 24 und ein Strombegrenzungswiderstand 25 gelegt, so daß zwischen Kathode und Hilfsanode 3 eine Entladung übergeht. Mit der Anode 5 ist eine Funkenstrecke 29 in Reihe geschaltet. io ist ein Kondensator, der von einer nicht dargestellten Spannungsquelle über den Widerstand i i aufgeladen wird. Wenn die Kondensatorspannung einen genügend hohen Wert erreicht hat, schlägt die Funkenstrecke 29 durch und legt dadurch. die Kondensatorspannung unmittelbar zwischen Kathode :2 und Anode 5. Es kommt dann eine kurzzeitige Entladung zustande, deren Dauer von der Geschwindigkeit des Zusammenbruchs der Spannung an den Elektroden des Entladungsgefäßes abhängt, während der die Elektronen mit sehr hohen Geschwindigkeiten gegen die Anode 5 geschleudert werden und dortRöntgenstrahlen auslösen. Die Häufigkeit der Entladungsstöße ist von der Größe der Kapazität io und dem Widerstand -i i sowie der angelegten Spannung 12 abhängig. Durch Ändern der drei Größen gleichzeitig oder einzeln kann die Häufigkeit der Entladungsstöße und damit die Häufigkeit der Röntgenblitze verändert und eingestellt werden. Man kann auf diese Weise beispielsweise die Verhältnisse so einstellen, daß in einer Sekunde 16 bis 25 oder mehr außerordentlich kurzzeitige Röntgenblitze entstehen. Da die Dauer der Röntgenstrahlung in der Größenordnung von i - io-6 bis 5 - io-6 Sekunden liegt, so kann man auf einem z. B. stetig bewegten Film nacheinander Aufnahmen herstellen, die sich mit Hilfe einer kinematografischen Vorrichtung als bewegte Bilder wiedergeben lassen. Durch Einstellung der Entladungshäufigkeit kann man Zeitraffer-oder Zeitdehneraufnahmen anfertigen:.The X-ray tube is only schematic in this circuit arrangement indicated. All parts that are not required for understanding (shielding plates) omitted. The parts that correspond to FIG. I have the same reference numerals. Between the cathode 2 and the auxiliary anode 3 are a voltage source 24 and a Current limiting resistor 25 placed so that between the cathode and auxiliary anode 3 a Discharge passes. A spark gap 29 is connected in series with the anode 5. io is a capacitor that is supplied by a voltage source (not shown) across the Resistance i i is charged. When the capacitor voltage is high enough Has reached a value, the spark gap 29 breaks through and sets thereby. the capacitor voltage directly between cathode: 2 and anode 5. A brief discharge then occurs come about, the duration of which depends on the rate of collapse of the tension the electrodes of the discharge vessel depends, during which the electrons with very high speeds are thrown against the anode 5 and there X-rays trigger. The frequency of the discharge surges depends on the size of the capacity and the resistance -i i and the applied voltage 12 dependent. By changing of the three quantities simultaneously or individually, the frequency of the discharge surges and thus the frequency of the X-ray flashes can be changed and set. Man can in this way, for example, set the ratios so that in a Second 16 to 25 or more extremely short-term X-ray flashes occur. Since the duration of the X-ray radiation is of the order of i - io-6 to 5 - io-6 Seconds, so you can on a z. B. steadily moving film one after the other recordings produce which, with the help of a cinematographic device, are considered to be moving Play back pictures. By setting the discharge frequency one can time-lapse or Make time stretch recordings:

Bei der Einrichtung nach Fig. 2 wird die Spannung des Kondensators erst im Augenblick der Zündung des Entladungsgefäßes zwischen Anode und Kathode mit Hilfe einer Funkenstrecke angelegt. Man kann an Stelle der Funkenstrecke auch andere Schaltmittel, z. B. steuerbare Entladungsgefäße, benutzen. Man kann aber auch, wie in Fig.3 dargestellt, den Kondensator dauernd mit der Anode verbinden. Man muß dann allerdings dafür sorgen, daß die Entladung zur Hauptanode 5 erst einsetzt, wenn die Kondensatorspannunig einen ausreichend hohen Wert erhalten hat. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, die Hilfsentladung erst unmittelbar vor dem Augenblick zu zünden, in welchem die Hauptentladung einsetzen so-11. Man kann beispielsweise mit Hilfe einer Schaltvorrichtung, einer Funkenstrecke od. dgl. erst im Zündmoment eine ausreichend hohe Spannung an die Hilfsanode 3 legen. Zu diesem Zweck dient bei der Einrichtung nach Fig. 3 der Umschalter 13, der in der einen Stellung eine negative Spannung an die Hilfsanode legt und dadurch das Zustandekommen einer Entladung verhindert. In seiner anderen Stellung erhält die Hilfsanode aber ein positives Potential, unter dessen Einfluß sich zunächst die Hilfsentladung zwischenKathode und Hilfsanode3 ausbildet. Da das Anodenfeld in den Innenraum der Hilfsanode 3 eingreift, so geht die Hilfsentladung selbsttätig in die Hauptentladung über. Versuche haben ergeben, da.B die Hauptentladung erst dann in voller Stärke einsetzt, wenn die Hilfsentladung aufgebaut ist.In the device according to FIG. 2, the voltage of the capacitor is only applied between the anode and cathode at the moment of ignition of the discharge vessel with the aid of a spark gap. Instead of the spark gap, other switching means, e.g. B. use controllable discharge vessels. But you can also, as shown in Fig. 3, connect the capacitor permanently to the anode. However, one must then ensure that the discharge to the main anode 5 does not begin until the capacitor voltage has reached a sufficiently high value. For this purpose it is advisable to ignite the auxiliary discharge immediately before the moment in which the main discharge starts so-11. For example, with the aid of a switching device, a spark gap or the like, a sufficiently high voltage can only be applied to the auxiliary anode 3 at the moment of ignition. For this purpose, in the device according to FIG. 3, the changeover switch 13 is used, which in one position applies a negative voltage to the auxiliary anode and thereby prevents a discharge from occurring. In its other position, however, the auxiliary anode receives a positive potential, under the influence of which the auxiliary discharge initially develops between the cathode and auxiliary anode3. Since the anode field engages in the interior of the auxiliary anode 3, the auxiliary discharge automatically changes into the main discharge. Experiments have shown that the main discharge only starts to full strength when the auxiliary discharge has built up.

Man kann auch mit einer ständig brennenden Hilfsentladung arbeiten und den Kondensator io dauernd mit Anode und Kathode verbinden, wenn man das Übergehen der Hilfsentladung in die Hauptentladung durch Steuerelektroden, insbesondere Steuergitter, beeinflußt. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise den obersten Teil der Hilfsanode verwenden. Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Der die Austrittsöffnung für die Elektronen tragende Ansatz der Hilfsanode, der in Fig. 4 mit 3' bezeichnet ist, ist von der Anode 3 isoliert, so daß ihm ein besonderes Potential aufgedrückt werden kann. Man kann dadurch, daß man das Potential des Teiles 3' genügend stark negativ macht, den Durchbruch der Entladung zur Hauptanode vermeiden. Eine hierfür geeignete Schaltung ist in Fig.5 dargestellt. Der Teil 3', welcher zur Steuerung der Entladung dient, ist hier als Gitter dargestellt und kann auch an Stelle der in Fig.4 dargestellten Bauform als gitterförmige Elektrode verwendet werden. Er wird über den Transformator 14 und dieVorspannbatterie 15 mit der Kathode verbunden. Die Hilfsentladung wird von der Batterie 24 gespeist. Dadurch, daß man durch den Transformator 14 einen Stromstoß leitet, durch den die Spannung an der Steuerelektrode 3' erhöht wird, kann man die Hauptentladung zünden. Sie erlischt von selbst, sobald der Kondensator io entladen ist. Mit Hilfe der Steuerelektrode 3 kann man die Entladung zu beliebig wählbaren Zeitpunkten zünden. Dies ist erwünscht, wenn es sich beispielsweise darum handelt, bei der Durchleuchtung bewegter Gegenstände den Röntgenblitz in einem ganz genau definierten Zeitpunkt auszusenden. Man kann beispielsweise die die Zündung einleitende Spannung mit irgendwelchen Bewegungsvorgängen elektrisch koppeln, ähnlich wie dies bei oszillografischen Aufnahmen periodischer elektrischer Vorgänge üblich ist.You can also work with a constantly burning auxiliary discharge and permanently connect the capacitor io to the anode and cathode, if the transition is made the auxiliary discharge into the main discharge through control electrodes, in particular control grids, influenced. For this purpose, for example, the top part of the auxiliary anode use. Such an arrangement is shown schematically in FIG. The who Exit opening for the electron-bearing attachment of the auxiliary anode, which is shown in Fig. 4 is designated by 3 ', is insulated from the anode 3, so that it is a special Potential can be pushed. One can do this by considering the potential of the part 3 'makes sufficiently strong negative, avoid the breakthrough of the discharge to the main anode. A circuit suitable for this is shown in FIG. Part 3 'which serves to control the discharge, is shown here as a grid and can also used as a grid-shaped electrode in place of the design shown in FIG will. It is connected to the cathode via the transformer 14 and the bias battery 15 tied together. The auxiliary discharge is fed by the battery 24. By being through the transformer 14 conducts a rush current through which the voltage at the Control electrode 3 'is increased, you can ignite the main discharge. It goes out by itself as soon as the capacitor is discharged. With the help of the control electrode 3 the discharge can be ignited at any time. This is desirable when it comes to the x-raying of moving objects, for example send the X-ray flash at a precisely defined point in time. One can for example the voltage initiating the ignition with any movement processes couple electrically, similar to periodic oscillographic recordings electrical processes is common.

Die Röntgenröhre gemäß der Erfindung kann mit Edelgasen oder Edelgasgemischen geeigneten Druckes, z. B. o,:2 - io-2 bis 2 - io-2 mm,QS, gefüllt sein. Man kann aber auch Quecksilber in die Röhre einfüllen und durch Einstellung der Temperatur, z. B. auf etwa 25°C, den gewünschten Druck aufrechterhalten. Man kann auch Gemische von Edelgasen und Quecksilberdampf anwenden. Durch die Gas- oder Dampffüllung wird die Wärmeabfuhr von der Anode im Vergleich zu Hochvakuumröhren wesentlich gesteigert. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr kann man auch Gase hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Helium oder Wasserstoff oder Helium oder Wasserstoff enthaltende Gas- oder Dampfgemische, verwenden. Im übrigen kann man zur Kühlung der Anode alle in der Röntgenröhrentechnik bekannten Kühlmittel anwenden.The X-ray tube according to the invention can use noble gases or noble gas mixtures suitable pressure, e.g. B. o,: 2 - io-2 to 2 - io-2 mm, QS, be filled. One can but also fill the tube with mercury and adjust the temperature, z. B. to about 25 ° C, maintain the desired pressure. You can also use mixtures of noble gases and mercury vapor. By the gas or steam filling the heat dissipation from the anode is significantly increased compared to high vacuum tubes. To improve heat dissipation, gases of high thermal conductivity, e.g. B. helium or hydrogen or gas or vapor mixtures containing helium or hydrogen, use. In addition, you can use X-ray tube technology to cool the anode use known coolant.

Bei dem in Fig. 2, 3, 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Kondensator über die Röntgenröhre entladen. Man kann den Kondensator aber auch durch eine Induktivität genügender Größe ersetzen. Man kann beispielsweise zu diesem Zweck einen Transformator verwenden, dessen Primärwicklung plötzlich stromlos gemacht wird.In the embodiment shown in Fig. 2, 3, 5, a Discharge the capacitor through the X-ray tube. But you can also use the capacitor replace an inductance of sufficient size. One can for example do this for this purpose use a transformer whose primary winding is suddenly de-energized will.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Furnishings. to generate a short-term X-rays of high intensity with the aid of a gas or vapor discharge vessel low operating voltage, in which a discharge occurs when a high voltage is applied is ignited between the cathode and anode of the discharge vessel, characterized in that there, ß serving to generate the discharge that triggers the x-ray radiation Electrons at least at the beginning of the discharge in an ionized gas or vapor supply be withdrawn.

2. Device according to claim i, characterized in that for An auxiliary discharge is provided to generate an ionized gas or vapor supply is.

3. Device according to claim 2, characterized in that the auxiliary discharge burns continuously and the main discharge that triggers the X-rays by sudden Applying the anode voltage or with the help of a special shielding the auxiliary discharge Control electrode is ignited.

4. Device according to claim 2, characterized in that da: ß the auxiliary discharge ignited immediately before the initiation of the main discharge and passes into the main discharge.

5. Device according to claim 2 or one the following, characterized in that the auxiliary discharge between a cathode and a hollow auxiliary anode surrounding the cathode.

6. Set up after Claim 4 and 5, characterized in that a Voltage source, e.g. B. a charged capacitor, between the cathode and auxiliary anode is switched on.

7. Device according to claim i, wherein a Capacitor across the discharge vessel, optionally with the interposition of a Spark gap, is discharged, characterized in that this capacitor over a high resistance is charged by a voltage source and the capacitor or the charging resistor can be regulated to set the discharge frequency. B. Device according to claim i or one of the following, characterized in that the power supply to the cathode is kept at a constant potential with a special one Protective sheath is surrounded.