DE921707C - Einrichtung zur Erzeugung von Roentgenstrahlen - Google Patents

Einrichtung zur Erzeugung von Roentgenstrahlen

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DE921707C
DE921707C DEK4804D DEK0004804D DE921707C DE 921707 C DE921707 C DE 921707C DE K4804 D DEK4804 D DE K4804D DE K0004804 D DEK0004804 D DE K0004804D DE 921707 C DE921707 C DE 921707C
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Germany
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braking surface
bremsstrahlung
anticathode
rays
braking
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DEK4804D
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English (en)
Inventor
Wolfgang Dipl-Phys Dr Ferrant
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Koch and Sterzel AG
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Koch and Sterzel AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Description

  • Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen Es ist bekannt, daß man ein Elektronenstrahlenbündel durch besonders ausgebildete elektrische oder magnetische Felder in ähnlicher Weise beeinflussen kann, wie man einen Lichtstrahl durch optische Mittel (Linsen) beeinflussen kann:. Diese und andere Analogien zur Lichtoptik, vorzugsweise die Erzeugbarkeit von Brennpunkten für ein Elektronenstrahlenbündel, haben zum Begriff der Elektronenoptik geführt. Eine Röntgenstrahlenoptik gibt es nicht, wenn man von den Erscheinungen der Kristallinterferenz und der darauf beruhenden Röntgenstrahlenspektroskopie absieht, die in ausgeprägtem Maße auf Interferenz beruht. Auf dem Gebiete der Röntgenstrahlen ist z. B. eine Einrichtung, wie sie der Scheinwerfer für normales Licht darstellt, nicht bekannt. Das Analogon zur optischen Linse fehlt in der Röntgenstrahlentechnik ebenfalls. Man kann ein Röntgenstrahlenbündel nicht in einem Punkt oder praktisch in einem Punkt sammeln. Ein Röntgenstrahlenbündel, das von einer Antikathode ausgeht, hat in der Antikathode selbst seinen Brennfleck und damit an dieser Stelle den kleinsten Querschnitt für den ganzen Strahlenverlauf. Je weiter man sich von der Antikathode entfernt, desto breiter wird das Strahlenbündel. Es ist bisher nicht möglich, den Querschnitt des Röntgenstrahlenbündels mit zunehmender Entfernung von der Antikathode zu verkleinern oder eine Art Linsenwirkung zu erhalten.
  • Zur Erzeugung eines konvergenten Röntgenstrahlenbündels, vorzugsweise für die Behandlung von tiefliegenden Krankheitsherden, ist lediglich die Anordnung einer Bleiblende bekanntgeworden., die aus dem von einer Röntgenröhre mit großem Brennfleck ausgehenden Strahlenbündel ein kon vergentes, auf einen Punkt gerichtetes Bündel ausblendet und zweckmäßig während der Bestrahlung in Umdrehung versetzt wird. Die Röntgenröhre weist bei dieser bekanntenAnordnung einekonische Außenanode auf, wobei zur Bildung eines gleichmäßig belegten großflächigen Brennfleckes auf der Außenanode Magnetfelder oder Elektronenblenden verwendet werden; die Bleiblende liegt unmittelbar an: der Außenanode. Es ist ohne weiteres klar, daß der Nutzeffekt dieser Anordnung wegen der benötigten Bleiblende außerordentlich gering ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Röntgenstrahlenbündel in ähnlicher Weise zu beeinflussen, wie man einen Lichtstrahl durch optische Mittel beeinflussen kann. Die Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine Elektronenstrahlung von so hoher Geschwindigkeit, daß das Maximum der von ihr erzeugten Bremsstrahlung praktisch in der Richtung der Elektronenstrahlung liegt, vor ihrem Auftreffen auf eine Bremsfläche (die Antikathode) durch elektrische oder magnetische Felder in ihrer Richtung derart beeinflußt wird, daß die aus der Bremsfläche (Antikathode) austretende Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) eine solche Richtung erhält, daß ohne Anwendung eines Blendensystems ein außerhalb (vor oder hinter) der Bremsfläche (Antikathode) liegender Brennpunkt der Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) entsteht.
  • Die Einrichtung gemäß der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die von einem Elektron ausgehende Bremsstrahlung bei zunehmender Geschwindigkeit immer mehr nach vorn in Richtung des Elektronengeschwindigkeitsvektors ausgestrahlt wird. In der Abb. i ist mit v der Vektor der Elektronengeschwindigkeit bezeichnet. Ist die Elektronengeschwindigkeit verhältnismäßig klein, z. B. in der Größenordnung entsprechend foo kV, so ergibt sich das in Abb. i gezeichnete Polardiagramm des Strahlungsvektors J der Bremsstrahlung: Bei einer größeren Elektronengeschwindigkeit, z. B. entsprechend 5oo kV, ergibt sich das aus Abb. 2 ersichtliche Polardiagramm für den Strahlungsvektor J der Bremsstrahlung. Man sieht aus dem Vergleich der beiden Polardiagramme der Abb. i und 2, daß die Bremsstrahlung bei größerer Elektronengeschwindigkeit mehr nach vorn in Richtung des Elektronen.geschwindigkeitsvektors v gerichtet ist. Bei einer hohen Elektronengeschwindigkeit, z. B. entsprechend i MV, ergibt sich das aus Abb.3 ersichtliche Polardiagramm. (Wenn im folgenden von dem Strahlungsvektor J gesprochen wird, so ist der Maximalwert des Strahlungsvektors J gemeint.) Der Maximalwert des Strahlungsvektors J der Bremsstrahlung liegt hier fast vollständig in der Richtung des Vektors v. Von dieser an sich bekannten Erkenntnis macht die Erfindung Gebrauch. Außerdem beruht die Erfindung auf der Anwendung der Elektronenoptik. Es wird den Elektronen in der Bremsfläche (Antikathode) mittels elektronenoptischer Mittel eine solche Verteilung der Geschwindigkeitsvektoren am Ort der Bremsfläche erteilt, daß die Verlängerungen der Geschwindigkeitsvektoren die gewünschte, der Lichtoptik analoge Eigenschaft haben. Theoretisch zeigt natürlich, wie die Abb. 3 erkennen läßt, der Strahlungsvektor J der Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) eine gewisse Abweichung von. der Richtung des Vektors v. Je höher die Elektronengeschwindigkeit jedoch wird, desto geringer wird diese Abweichung, wie der Vergleich der Abb. i bis 3 untereinander erkennen läßt. Man kann also praktisch davon sprechen, daß die Richtung des Strahlungsvektors J der Bremsstrahlung mit der Richtung des Vektors v bei einigermaßen. hohen. Elektronengeschwindigkeiten übereinstimmt.
  • Will man ein Röntgenstrahlenbündel in einem Punkt sammeln, so geht man in der Weise vor, daß die Verlängerungen der Geschwindigkeitsvektorenv am Ort der Bremsfläche sich in einem außerhalb der Bremsfläche liegenden Punkt, dem Brennpunkt, schneiden. In der Abb. 4 ist dies schematisch dargestellt. Mit Eist ein Elektronenstrahlenbündel bezeichnet, welches durch in der Abbildung nicht dargestellte elektrostatische oder magnetische Felder so auf eine Bremsfläche B gerichtet ist, daß die Verlängerungen der einzelnen Geschwindigkeitsvektoren am Ort der Bremsfläche B sich in dem Punkt F, d. h. dem Brennpunkt der aus der Bremsfläche B austretenden Bremsstrahlung, treffen. Die Strahlungsvektoren J der Bremsstrahlung bilden also, wie auch in der Abb.4 erkennbar ist, annähernd die Verlängerungen der gestrichelt angedeuteten Tangenten an die Elektronenwege am Ort der Bremsfläche B. Wenn man also von den öbenerwähnten geringfügigen Richtungsabweichungen von J und v absieht, erhält man praktisch mit genügender Annäherung bei F einen Brennpunkt der Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung).
  • Diese Art der Röntbgenstrahlenerzeugung, bei der also der Brennfleck außerhalb der Bremsfläche B, d. h. also der Antikathode, liegt, hat verschiedene Vorteile. Beispielsweise kann man bei der Röntgenstrahlentherapie den Brennfleck F in jeden beliebigen Punkt innerhalb des zu behandelnden Körpers verlegen und auf diese Weise eine bisher nicht erreichbare Konzentrierung der Röntgenstrahlung auf die zu behandelnde Stelle herbeiführen, ohne daß durch Anordnung einer Bleiblende, wie sie die eingangs erwähnte bekannte Anordnung zur Konzentrierung der Röntgenstrahlung benötigt, ein wesentlicher Anteil der erzeugten Röntgenstrahlen absorbiert wird. Bei der Diagnostik ergibt sich als wesentlicher Vorteil, daß man sehr scharfe Bilder erhält, da der Brennfleck F kleiner als bisher gemacht werden kann. Ganz allgemein ist noch hervorzuheben, daß die Antikathode, d. h. also die Bremsfläche B, sehr stark belastet werden kann:, weil sie großflächig ist und nicht, wie bei den bekannten Röntgenröhren, punktförmig, nämlich im Brennfleck, sondern großflächig belastet wird.' Auch ist die Kühlung der Antikathode die der bekannten Röntgenröhren, zumal allein schon durch Strahlung von der großflächigen Antikathode viel Wärme abgeführt wird. Die Erzeugung eines Röntgenstrahlenbündels mit parallel verlaufenden Strahlen analog den Lichtstrahlen eines Scheinwerfers, bei der also der Brennpunkt der Bremsstrahlung unendlich weit entfernt von der Bremsfläche liegt, kann in der aus Abb. 5 ersichtlichen Art und Weise erfolgem In dieser Abbildung ist wieder mit E ein Elektronenstrahlenbündel bezeichnet, das, beeinflußt durch nicht dargestellte elektronenoptische Mittel, so auf die Bremsfläche B auftrifft, daß die Strahlungsvektoren J der aus der Bremsfläche austretenden Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) sämtlich parallel zueinander verlaufen. Ein solches aus parallelen Strahlenbestehendes Röntgenstrahlenbündel bringt bei der Durchleuchtung den Vorteil, daß keine Verzerrungen auftreten wie bei der Durchleuchtung mit einem stark divergierenden Röntgenstrahlenbündel, wie es bei den bisher bekannten Röntgenröhren erzeugt wird. Dieser Vorteil tritt auch dann auf, wenn die einzelnen Strahlen des Röntgenstrahlenbündels nicht mathematisch genau einander parallel verlaufen, sondern eine geringe Divergenz aufweisen. Dadurch ist auch eine wesentlich bessere Ausnutzung des Röntgenstrahlenbündels gewährleistet. Weiterhin kann man die Entfernung des zu durchleuchtenden oder aufzunehmenden Objektces von der Bremsfläche (Antikathode) sehr groß wählen, desgleichen die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Leuchtschirm bzw. der photographischen Schicht. Dies ist ein besonders im Hinblick auf die Verringerung der Streustrahlung wesentlicher Vorteil, der sich insbesondere bezüglich der Bildqualität bemerkbar macht.
  • Man kann, wie die Abb. 6 zeigt, den Brennpunkt auch auf die andere Seite der Bremsfläche verlegen. Das durch elektronenoptische Mittel entsprechend beeinflußte Elektronenstrahlenbündel ist auch hier wieder mit E, die Bremsfläche mit B, der hier links von der Bremsfläche B liegende Brennfleck mit F bezeichnet. Mit J sind wieder die Strahlungsvektoren der Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) bezeichnet.
  • Es empfiehlt sich, wegen der Streuung der Elektronen, in der Antikathode als Antikathode oder Bremsfläche eine dünne Platte oder Folie aus einem Stoff hoher Ordnungszahl, z. B. Wolfram oder Uran, zu verwenden. Die dünne, als Bremsfläche dienende Platte oder Folie wird zweckmäßig auf einer dicken Platte eines Stoffes niedriger Ordnungszahl, z. B. Beryllium, Kohle oder Aluminium, aufgebracht und von dieser dicken Platte getragen. Diese dicke Platte aus dem Stoff niedriger Ordnungszahl befindet sich auf der der Elektronenstrahlenquelle abgewandten. Seite der dünnen Platte oder Folie aus Wolfram oder Uran. Diejenigen Elektronen, die die dünne Bremsfläche aus Wolfram oder Uran durchsetzen, werden in der dicken Platt,: endgültig abgebremst, ohne eine wesentliche Bremsstrahlung zu liefern, da die dicke Platte aus einem Stoff niedriger Ordnungszahl besteht. Der Beitrag der gestreuten Elektronen zu der Bremsstrahlung ist also vernachlässigbar klein, so daß also praktisch nur die gerichtete Bremsstrahlung wirksam wird, die die dicke Platte aus dem Stoff niedriger Ordnungszahl ohne weiteres und praktisch verlustlos durchdringt. Die dicke Platte aus dem Stoff niedriger Ordnungszahl kann gleichzeitig zur besseren Kühlung der eigentlichen Bremsfläche herangezogen werden. Das Aufbringen der dünnen Schicht aus dem Stoff hoher Ordnungszahl kann beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder elektrolytisch erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Uran, weil dieser Stoff die höchste Ordnungszahl von allen Elementen hat und die beste Röntgenstrahlenausbeute ergibt. Bisher konnte Uran zur Röntgenstrahlenerzeugung praktisch nicht verwendet werden, weil sein Schmelzpunkt zu niedrig liegt. Bei der Röntgenstrahlenerzeugung gemäß der Erfindung besteht diese Schwierigkeit nicht, weil nur mit geringer Flächenbelastung gearbeitet wird.
  • Man kann eine Einrichtung gemäß der Erfindung auch so ausbilden, daß in dem Gang der Elektronenstrahlung hintereinander mehrere Bremsflächen in gewissem Abstand voneinander angeordnet werden; zwischen den einzelnen Bremsflächen werden dann elektrische oder magnetische Felder vorgesehen, welche diejenigen Elektronen, welche die' vorhergehenden Bremsflächen durchsetzt haben, derart beeinflussen, daß die aus sämtlichen Bremsflächen austretende Bremsstrahlung einen gemeinsamen Brennpunkt hat. Man erhält auf diese Weise eine wesentlich größere Röntgenstrahlenausbeube in einer bestimmten Richtung als mit nur einer Bremsfläche, weil die in jeder Bremsfläche noch gestreuten Elektronen durch die folgende Bremsfläche für die Röntgenstrahlenerzeugung nutzbar gemacht werden. Bei einer solchen Anordnung ist die Röntgenstrahlenausbeute im Nutzstrahlenkegel, d. h. also in der bestimmten gewünschten Richtung, wesentlich größer als bei den bekannten Röntgenröhren mit massiver Antikathode. Die bereits aus der ersten Bremsfläche austretende Röntgenstrahlung geht praktisch verlustlos und unbeeinflußt durch die folgenden Bremsflächen hindurch. Entsprechendes gilt für die aus den folgenden Bremsflächen austretenden Röntgenstrahlungen.
  • Es ist oft nicht leicht, die gewünschte obenerwähnte Tangentenbedingung für die Elektronenbahnen gerade im einer ebenem Fläche experimentell zu verwirklichen. Diese Schwierigkeit kann dadurch h; seitigt werden, daß man der Bremsfläche eine solche Krümmung erteilt, daß für die Gesamtheit der Elektronenbahnen in den, Auftreffpunkten die gewünschte Tangentenbeziehung erfüllt wird. Die Abb.7 zeigt ein schematisches Beispiel für eine solche Bremsfläche B, die so gekrümmt ist, daß ein Röntgenstrahlenbündel mit parallelem Strahlungsvektoren J austritt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektronenstrahlung von so hoher Geschwindigkeit, daß das Maximum der von ihr erzeugten Bremsstrahlung praktisch in der Richtung der Elektronenstrahlung liegt, vor ihrem Auftreffen auf eine Bremsfläche (die Antikathode) durch elektrische oder magnetische Felder in ihrer Richtung derart beeinflußt wird, daß die aus der Bremsfläche (Antikathode) austretende Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) eine solche Richtung erhält, daß ohne Anwendung eines Blendensystems ein außerhalb (vor oder hinter) der Bremsfläche (Antikathode) liegender Brennpunkt der Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) entsteht. z. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gang der Elektronenstrahlung hintereinander mehrere Bremsflächen in gewissem Abstand voneinander angeordnet sind und daß zwischen den Bremsflächen elektrostatische oder magnetische Felder vorgesehen sind, welche diejenigen Elektronen, welche die vorhergehenden Bremsflächen durchsetzt haben, derart beeinflussen, daß die aus sämtlichen Bremsflächen austretende Bremsstrahlung einen gemeinsamen Brennpunkt hat. 3. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsfläche (Antikathode) aus einer dünnen Platte oder Folie eines Stoffes hoher Ordnungszahl, z. B. Uran, besteht. q.. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, als Bremsfläche dienende Platte oder Folie auf einer dickeren Platte eines Stoffes niedriger Ordnungszahl, z. B. Beryllium, Kohle oder Aluminium, aufgebracht ist und von dieser dicken Platte getragen wird. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder q., dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsfläche gekrümmt ist. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 69o 6i8.
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FR2844916A1 (fr) * 2002-09-25 2004-03-26 Jacques Jean Joseph Gaudel Source de rayonnement x a foyer virtuel ou fictif
EP2711048A2 (de) * 2011-04-20 2014-03-26 Universidad De La Frontera Vorrichtung zur strahlenerzeugung aus konvergierenden x-photonen und elektronen

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE690618C (de) * 1937-01-19 1940-04-30 Siemens Reiniger Werke Akt Ges Einrichtung zur Erzeugung eines konvergenten Roentgenstrahlenbuendels

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