DE922365C

DE922365C - Roentgenroehre mit sehr feinem Brennfleck

Info

Publication number: DE922365C
Application number: DEE1001A
Authority: DE
Inventors: Werner Ehrenberg; Walter Eric Spear
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-03-22
Filing date: 1950-04-18
Publication date: 1955-01-13
Also published as: FR1016199A; GB701050A; CH282525A; US2651727A

Description

Die Erfindung hat eine Röntgenröhre mit äußerst feinem Brennfleck zum Gegenstaad, wie säe insbesondere für kristallographiiische und mikroradio graphische Untersuchungein benötigt wird. Für derartige Untersuchungen besteht ein Bedürfnis nach Röntgenröhren, deren Brennfleck eine Ausdehnung in. der Größenordnung von io bis ioo μ aufweist.

Die bisher für diese Zwecke vorgeschlagenen Einrichtungen können nicht befriedigen, da sie teils bei der praktischen Ausbildung zu kompliziert sind und teils zu große räumliche Abmessungen, bedingen.

Durch die Erfindung wird eine Röntgenröhre geschaffen, welche mit Hilfe von rein, elektrostatischen Mitteln und bei sehr gedrängtem und einfachem Aufbau die Erzeugung eines scharfen und stabilen Brennfleckes' von weniger als Y₁₀ mm Durchmesser auf der Antikathode ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der gemäß der Erfindung ausgebildeten Röntgenröhre liegt darin, daß lediglich die Antikathode an eine hohe Betriebsspannung gelegt wird, während die übrigen Elektroden sich auf oder etwa auf Kathodenpotentiajl befinden,

Gemäß der Erfindung wird eine Röntgenröhre mit sehr feinem Brennfleck, welche insbesondere für kristallographische und mlikroaradiographische Untersuchungen bestimmt ist und eine Kathode, eine Antikathode sowie ein elektrostatisches Linsensystem aufweist, das aus einer die Kathode koaxial umgebenden, und mit einer Lochblende versehenen Zylinderelektrode, einer zu dieser koaxial angeordneten Verlängerungselektrode und einer weiteren Zylinderelektrode von verhältnismäßig großem Durchmesser besteht, dlie zu den beiden anderen

Zylinderelektroden; koaxial- liegt und. sich wenigstens über die Länge der Entladungsstrecke zwischen Kathode und Antikathode erstreckt, in der Weise ausgebildet, daß die in der Öffnung der Lochblende angeordnete Spitze einer Haarnadelkathode auf Grund der folgenden, Dimensionierung des Linsensystem's auf der Antikathode abgebildet wird: Bezogen auf den Durchmesser der ersten Zyllinderelektrode und der Verlängerungselektrode ίο betragt die axiale Länge der Verlängerungiselektrode 0,75 + 0,25, der axiale Abstand zwischen Blende und Antikathode 1,65 + 0,25, der Innendurchmesser der dritten. Zylinderelektrode annähernd 2 und der Durchmesser der Antikathode etwa 0,8, so daß nach Verbindung mit entsprechenden Potentialen in dem Bereich des Kathodenpotentials eine Äquipotentialfläche ausgebildet wird, welche die Entladungsstrecke zwischen Kathode und Antikathode umgibt und deren Durchmesser an dem kathodenseiitiiigen. Ende dieser Strecke verhältnismäßig klein und an dem entgegengesetzten Ende verhältnismäßig groß ist.

Die erwähnte Äquipotentialfläche kann von der Kathodenseite nach' der Antikathodenseite zu im ^a5 Durchmesser allmählich zunehmen, jedoch wird die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß der Durchmesser dieser Fläche in einem einzigen großen Schritt zunimmt.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann die erste Zylinderelektrode mit der Verlängerungselektrode mechanisch vereinigt sein, so* daß letztere auch mechanisch eine Verlängerung der ersten bildet.

Zweckmäßig kann auch dine von. außen zu be^u tätigende Vorrichtung vorgesehen werden, um die Kathode in der Längsrichtung der Röhre justieren zu können.

Schließlich wird zweckmäßig die dritte Zyliinderelektrode als Teil der Röhrenhülle ausgebildet. Die Verwendung von. elektrostatischen Linsensystemeim zur Strahlkonzentratioii ist an sich vielfach bekannt. Man hat auch bei Röntgenröhren schon einen mit einer' Lochblende versehenen und die Kathode umgebenden, elektrostatischen Richtzylinder vorgesehen,.

Demgegenüber liegt die Erfindung in der Erkenntnis, daß es durch die angegebene Dimensionierung der Zylüiiderelektroden gelingt, die . Spitze einer Haarnadelkathode auf der Antikathodenfläche verkleinert abzubilden und dadurch einen scharfen und stablilen Brennfleck von äußerst kleinem Durchmesser zu erzeugen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert.

Fig. ι stellt einen teilweise axial 'geschnittenen Aufriß einer vorzugsweisen Ausführung der Erfindung dar, wobei die für ein Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile der Röhre abgebrochen und fortgelassen sind, um die Zeichnung zu vereinfachen;

Fig. 2 ist eine übliche Darstellung des Verlaufes der Äquipotentialflächen in einer Röhre nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung einzelner Teile.

Die in Fig. 1' gezeigte Röntgenröhre hat die übliche langgestreckte Zylinderform; die Achse ist durch die strichpunktierte Linie X-X dargestellt. Um einen Überblick über die wirklichen, Größen-Verhältnisse der in Fig. 1 gezeigten Röhre zu geben, ist eine Zentimeterskala beigefügt, obwohl die gezeichneten Größenverhältnii'sse selbstverständlich nur als Beispiel aufzufassen, sind. Die Röhrenhülle besteht au® den Metallstücken 1 und 2, die durch ein, geeignetes Glasstück 3 mechanisch verbunden und voneinander isoliert werden. Das Metaillstück ι besitzt einen seitlichen Rohrstutzen 4, der zu einer (nicht gezeichneten) Vakuumpumpe führt, die während des Betriebes der Röhre arbeitet. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung gleichermaßen auf Röhren mit fest verschlossenen Hüllen Anwendung finden kann wie auch auf Röhren der dargestellten Art, die ständig an der Pumpe liegen. An dem einen Ende der Hülle ist eine sogenannte Haarnadelkathode befestigt. Der mit Ziffer S bezeichnete Heizdraht wird in irgendeiner üblichen Weise von einem zylindrischen Fassungsteil 6 getragen, der die (nicht gezeichneten) Heizdrahtträger einschließt und durch das die (nicht gezeichneten) Heizdrähte hindurchgehen,. Bei Betrieb befindet sich, das Fassungsteil im Bereich des Kathodenpotentials. Ferner wird von dem Fassungsteil eine erste Zy linder elektrode 7 von, verhältnismäßig kleinem Durchmesser gehalten, die sich ebenfalls im Bereich des Karhodenpotentials befindet und die Kathode 5 konzentrisch umgibt. Unter dem in dieser Beschreibung verwendeten Ausdruck im Bereich des Kathodenpotentials ist zu verstehen: auf Kathodenpotential oder verschieden vom Kathodenpotential um einen Betrag, der klein gegenüber der Potentialdifferenz zwischen· Kathode und Antikathode ißt. So kann, um praktische Zahlen zu nennen, in einer Röhre mit einer Potentialdifferenz von größenordnungsmäßig 10 bis 15 kV zwischen Kathode und Antikathode die Zylinderelektrode 7 auf Erdpotential liegen und die Kathode 5 selbst eine positive Vorspannung von, z, B. einigen hundert Volt erhalten. Die Elektrode 7 besitzt einen Durchlaß 8 mit einer Mitteilöffnung 9, und diese ist im wesentlichen koplanar mit der Kathodenspitz.e,d. h. mit dem effektiven Emisisionspunkt derselben. Die, Elektrode 7 bildet in ihrer Verlängerung eine zylindrische Verlängerungselektrode 10 vom gleichen Durchmesser und ebenfalls im Bereich des Potentials, die in einem bekannten Antikoronaring 11 endet. Die Elektrode 10 muß 'nicht mit der Elektrode 7 mechanisch verbunden werden, obwohl man es vorzugsweise tun wird. Die Elektrode 7 ist in der Zeichnung aufgebrochen, um den Haarnadelheizer 5 sehen zu lassen; die Einzelheiten der Heizerzuführungen und -halter irgendeiner bekannten Konstruktion sind j edoeh nicht dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen.

Um eine Kathodenjustierung in Längsrichtung zu gestatten, ist die Kathodenkonstruktion mit einem axialen Schaft 12 versehen, der sich rück-

Claims

wärts erstreckt, durch einen Balg 13 ragt und in den Teil 14 eingeschraubt ist; dieser besitzt einen Gewindebolzen 15, der aus dem rückwärtigen Ende der Röhrenhülle herausragt. Der Bolzen 15 wird durch eine mit Gewindebohrung versehene Buchse

16 geführt, die durch eine Rändelung oder Flügel

17 gedreht werden kann. Die Konstruktion ist hier nur scheinatisch gezeigt, aber es wird einleuchten, daß die Kathode durch Drehung des Teiles 17 in Längsrichtung vorwärts oder rückwärts verschoben und damit justiert werden kann.

Das andere Metallendstück 2 der Hülle trägt eine röhrenförmige Antikathode 18, wobei die Darstellung eine wassergekühlte Type mit Zu- und Abführungsrohren 19 für die Kühlflüssigkeit zeigt. Die Antikathode wird durch einen konischen BefestigungS'Stopfen 20 der üblichen Art in Stellung gehalten. 21 ist das normale Röntgenröhrenfenster (gestrichtelt), 22 sind gewöhnliche Schutz- und Antikoironaringe.

Im Betrieb werden die Elektroden 7 und 10 im Bereich des Kathodenpotentials gehalten, ebenso'das Metallstück ι der Hülle. Die Teile 7, 10 und 1 bilden gemeinsam die vorzugsweise geerdeten Bestandteile eines elektrostatischen Linsensystems; das Umhüllungsstück 1 dient gleichzeitig als Elektrode, die isich über die ganze Elektronenentladungsstrecke von der Kathode zur Antikathode und weit darüber hinaus erstreckt. Die zuletzt erwähnte Elektrode wird natürlich auf einem geeigneten positiven Potential gegenüber den anderen. Elektroden i, 7 und 10 gehalten, die, wenn erwünscht, fest miteinander verbunden werden können, indem sie konstruktiv vereinigt werden, wie es bei der in Fig. ι dargestellten Röhre der Fall ist. Wenn gewünscht, können jedoch auch getrennte Zuführungen zu den Elektroden 1, 7 und 10 vorgesehen werden, um die ihnen aufgeprägten Potentiale einstellen zu können. In der Praxis befinden sich diese Elektroden jedoch, wenn nicht sämtlich genau auf Kathodenpotential, so> doch, wie bereits erläutert, im Bereich des Kathodenpotentials und bilden durch ihr Zusammenwirken eine Äquipotentialfläche im Bereich des Kathodenpotentials, die die Elektronenentladung umgibt, in der Nähe der Kathode einen kleinen Durchmesser hat und sich hinter dem der Antikathode zugewandten Ende der Verlängerungselektrode 10 zu einem viel größeren. Durchmesser erweitert. Im allgemeinen werden die Teile 7, 10 und ι auf Erdpotential liegen und die Antikathode ein positives Potential erhalten; aber offenbar spielen nur die Potentialunterschiede eine Rolle, so daß die Antikathode auch geerdet und die anderen. Elektroden auf negatives Potential gelegt werden können,

Fig. 2 ist eine vergrößterte Skizze, die die mit diesem elektrostatischen Linsensystem erhaltene Verteilung der Äquipotentiallinien zeigt. Sie zeigt die wesentlichein Elektroden im Schnitt, und zwar nur auf einer Seite der Symmetrieachse X-X. Die in den. Fig. 1 und 2 verwendeten Bezeichnungen beziehen sich auf dieselben Teile. Die Äquipotentialflächen sind durch dünne Kurven dargestellt, die mit Relativpotentialen in willkürlichen Einheiten beziffert sind; der Abstand zwischen dem Heizer (in Fig. 2 nicht gezeichnet) und der Antikathode ist ebenfalls in willkürliche Einheiten unterteilt.

Als Konstruktionshilfe seien im folgenden die Größenordnungen der Dimensionsverhältnisse für die Anordnung der Fig. 1 angegeben: Wenn die Durchmesser der Elektrode 7 und der Verlängerungselektrode 10 als Einheit angenommen werden, sollte die axiale Länge der genannten Verlängerung 10 von der Öffnung 8 ab gemessen 0,75 ± 0,25 betragen; der axiale Abstand zwischen der Öffnung 8 und der Antikathodenebene sollte 1,65 + 0,25 betragen, der Innendurchmesser der Hüllenelektrode ι mindestens 1,5 und vorzugsweise etwa 2, der Durchmesser der röhrenförmigen Antikathode ungefähr 0,8.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, die von Fig. 1 insofern abweicht, als die Hüllenelektrode 1 mit einer Elektrodenwand 23 versehen ist, die parallel zu der Ebene durch das äußere Ende der Verlängerungselektrode 10 und neben dieser liegt, wobei die genannte Elektrodenwand eine axiale Öffnung von ungefähr demselben Durchmesser wie die Elektrode 10 besitzt. Ferner ersetzt ein Antikoronaring n^a am Innenrand der Elektrode 23, wie in Fig. 3 gezeigt, den Ring 11 in Fig. 1. Der Vorteil der An-Ordnung nach Fig. 3 ist, daß er eine elektrische Justierung der Linse zur Brennpunkteinstellung gestattet. Diese Justierung, die durch Veränderung des Potentials der Elektroden 7 und 10 einerseits und ι und 23 andererseits erzielt wird, ist vom Standpunkt der Konstruktionsvereinfachung offensichtlich vorteilhaft im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur mechanischen Bewegung der Kathode; jedoch können beide Arten der Justierung nach Wunsch vorgesehen werden. In Fig. 3 ist die Anordnung einer elektrischen Justierung durch getrennte Zuführungen 24 und 25 dargestellt, die zu verschiedenen Punkten eines Potentiometers 26 führen, von denen einer oder beide veränderlich sind; das Potentiometer ist mit einer (nicht gezeichneten) Spannungsquelle verbunden. Natürlich müssen bei jeder erfindungsgemäßen Konstruktion die verwendeten Potentiale in Übereinstimmung mit den bekannten elektronenoptischen Prinzipien gewählt werden, um sie den Röhrendimensionen anzupassen und um den gewünschten feinen Brennfleck auf der Antikathodenfläche zu erzeugen; aber eine elektrische Justierung gemäß Fig. 3, in Verbindung mit oder an Stelle einer mechanischen Justierung durch Axialverschiebung der Kathode gewährt große praktische Erleichterung ohne zusätzliche wesentliche Komplikationen.

Patentansprüche:

i. Röntgenröhre mit sehr feinem Brennfleck, insbesondere für kristallographische und mikroradiographische Untersuchungen, mit einer Ka-• thode, einer Antikathode und einem zwischen Kathode und Antikathode angeordneten elektrostatischen Linsensystem, bestehend aus einer ersten, die Kathode koaxial umgebenden und mit

einer Lochblende versehenen Zylinderelektrode, einer zu dieser koaxial angeordneten Verlängerungselektrode und einer dritten Zylinderelektrode von verhältnismäßig großem Durchmesser, welche zu den beiden anderen Zylinderelektroden koaxial liegt und sich wenigstens über die Länge der Entladungsstrecke zwischen Kathode und Antikathode erstreckt, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Haarnadelkathode, deren in der Öffnung der Lochblende angeordnete Spitze auf Grund der folgenden Dimensionierung des Linsensystems auf der Antikathode abgebildet wird: Bezogen auf den Durchmesser der ersten Zylinderelektrode

(7) und der Verlängerungselektrode (io) beträgt die axiale Länge der Verlängerungselektrode 0,75 ± 0,25, der axiale Abstand zwischen Blende (8) und Antikathode 1,65 + 0,05, der Innendurchmesser der dritten Zylinderelektrode (1) annähernd 2 und der Durchmesser der Antikathode etwa 0,8, so daß nach Verbindung mit entsprechenden Potentialen in dem Bereich des Kathodenpotentials eine Äquipotentialfläche ausgebildet wird, welche die Entladungsstrecke zwischen Kathode und Antikathode umgibt und deren Durchmesser an dem kathodenseitigen Ende dieser Strecke verhältnismäßig klein und an dem entgegengesetzten Ende verhältnismäßig groß ist.
2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode und die Verlängerungselektrode mechanisch vereinigt sind, so daß letztere auch mechanisch eine Verlängerung der ersten bildet.
3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch eine von außen zu betätigende Vorrichtung in der Längsrichtung der Röhre justiert werden kann.
4. Röhre nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zylinderelektrode mit einer inneren, ringförmigen Querwand (23) versehen ist, die in einer Ebene neben der Ebene des nach der Antikathode zu liegenden Endes der zylindrischen Verlängerungselektrode (10) liegt und eine Öffnung (n^a) besitzt, deren Durchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser dieses Endes ist.
5. Röhre nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zylinderelektrode (1) einen Teil der Röhrenhülle bildet.