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Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlenimpulsen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung, die mit einer Röntgenröhre mit einer Steuerelektrode
und einem Schirmgitter und mit einer mit der Röntgenröhre in Reihe geschalteten,
vom Anodenstrom der Röhre erregten Induktionsspule versehen ist. Die Erregung der
Induktionsspule wird dazu benutzt, Röntgenstrahlen sehr hoher Intensität mittels
schnell aufeinanderfolgender, von der Steuerelektrode gesteuerter Entladungsblitze
zu erhalten. Das Potential der Steuerelektrode wird zu diesem Zweck plötzlich bis
zu einem Wert herabgesetzt, bei dem der Strom durch die Röntgenröhre unterbrochen
wird. Der durch -die Induktionsspule fließende Strom kann nicht so schnell Null
werden, und es entwickelt sich daher an den Spulenenden ein großer Potentialunterschied,
der als Anodenspannung an der Röntgenröhre wirksam ist. Die der Steuerelektrode
zugeführte Spannung hat die Form eines Impulses solcher Art, daß der Strom durch
die Röntgenröhre nicht länger unterbrochen bleibt, als notwendig ist, um die Spannung
an der Röhre bis zu einem Wert zu steigern, bei dem Röntgenstrahlen der erforderlichen
Wellenlänge erzeugt werden. Die dann auftretende Entladung,dauert sehr kurz, worauf
der Anodenstrom langsam bis zur Sättigung zunimmt und dann aufs neue von einem negativen
Steuerspannungsimpuls unterbrochen wird.
Während der Zeit zwischen
zwei Entladungsblitzen ist der Mittelwert des Anodenstromes etwa gleich der Hälfte
des Käthodenstromes. Der überschuß an, Elektronen geht zum Schiimgitter. Diese Elektronen
sind die Ursache davon, daß das Schirmgitter stark aufgeheizt wird und folglich
beschädigt werden kann. Die Ableitung von Elektronen durch das Gitter verursacht
auch einen Energieverlust.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden.
Bei einer Vorrichtung, welche mit einer Röntgenröhre mit einer Steuerelektrode und
einem Schirmgitter und einer mit der Röntgenröhre in Reihe geschalteten, vom Anodenstrom
erregten Induktionsspule versehen ist, wobei die Röntgenröhre während- schnell aufeinanderfolgender,
mittels mit der Steuerelektrode gesteuerter Entladungsblitze Röntgenstrahlen hoher
Intensität liefert und die dazu erforderliche Anodenspannung in der Induktionsspule
infolge .der plötzlichen Unterbrechung des Anodenstromes in der Röntgenröhre erhalten
wird, werden daher gemäß der Erfindung zwei Steuerspannungen: zum Herabsetzen des
Durchlaßvermögens der Röntgenröhre nacheinander der Steuerelektrode der Röhre zugeführt,
von -denen die eine den Entladungsblitz bewirkt und die andere zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Entladungsblitzen eine Regulierung des Entladungsstromes herbeiführt, derart, daß
der Schirmgitterstrom auf einen geringen Wert beschränkt bleibt.
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Das Auftreten des starken Schirmgitterstrom.es in den bekannten Vorrichtungen
dieser Art läßt sich wie folgt erklären. Ein Teil der diesen Strom herbeiführenden
Elektronen wird direkt von den Gitterdrähten abgefangen. Eine Herabsetzung dieses
Stromes ist nur durch Änderung der Röhrenkonstruktion möglich. Bei einem solchen
Aufbau, daß praktisch keine direkte Elektronenableitung erfolgt, muß das Schirmgitter
im Schatten der SteuerelektTQde angeordnet sein. Hierfür ist eine hohe Genauigkeit
der Bearbeitung erforderlich. Im allgemeinen wird man bevorzugen, die hierbei auftretenden
Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß ein geringer Strom zum Schirmgitter zugelassen
wird.
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Ein weiterer Teil des Schirmgitterstromes besteht aus Elektronen,
die unter der Einwirkuhg der Feldverteilung in der Röntgenröhre auf ihrem Weg von
der Kathode zur Anode durch das Schirmgitter hindurchgehen und dann zu ihm zurückkehren.
Diese Rückkehr von Elektronen ist am größten im Anfang der sogenannten Anlaßperiode,
das ist die zur Erregung der Induktionsspule erforderliche Zeit, wenn die Anodenspannung
niedriger ist als die Schirmgitterspannung. Während der Anlaßperiode muß der Anodenstrom
von Null bis zum Maximalwert anwachsen, und wenn nun im Anfang dieser Periode die
Röhre voll geöffnet wird, indem z. B. die Spannung an der Steuerelektrode. hinreichend
hoch ist, so fließt anfänglich der Gesamtkathodenstrom zum Schirmgitter. Dieser
Strom nimmt immer ab, entsprechend der Zunahme des Anodenpotentials, bis der Anodenstrom
seinen höchsten Wert erreicht hat und - nur noch die direkt vom Schirmgitter aufgefangenen
Elektronen abgeleitet werden.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist erreicht, daß unter Verwendung
des Stromes zum Schirmgitter die Spannung am Schirmgitter selbsttätig derart geregelt
wird, daß dieser Strom während der Anlaßperiode hinreichend klein ist, um keinen
wesentlichen Energieverlust oder Beschädigung der Gitterdrähte herbeizuführen. Zu
diesem Zweck ist in die Schirmgitterzuleitung ein Widerstand geschaltet, und das
Schirmgitter ist gleichzeitig über eine Diode mit einem Punkt konstanten Potentials
verbunden, welches das zulässige Schirmgitterpotential nicht überschreitet. Im Widerstand
tritt ein Spannungsverlust auf, so daß dieser Widerstand mit einem Punkt höheren
Potentials verbunden sein muß äls das gewünschte Sehirmgitterpotential. Der Potentialunterschied
zwischen diesen Punkten muß etwa gleich der vom Strom in dem Widerstand herbeigeführten
Verlustspannung sein, die entsteht, wenn nur die direkt aufgefangenen Elektronen
abgeleitet werden. Jede Zunahme des Schirmgitterstromes erhöht den Spannungsverlust,
so daß das Potential dieser Elektrode herabgesetzt und folglich die Leitfähigkeit
der Röntgenröhre verringert wird.
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Es ist auch möglich, den in einem Widerstand in der Schirmgitterzuleitung
auftretenden Spannungsverlust auf andere Weise zu benutzen. In einer dazu dienenden
Ausführungsform wird dieser Spannungsverlust über einen Verstärker in einer das
Potential herabsetzenden Form der Steuerelektrode der Röntgenröhre zugeführt. Dabei
treten zwei Schwierigkeiten auf. Durch Anschluß des Widerstandes an die positive
Klemme der Spannungsquelle für die Schirmgitterspannung ergibt sich eine Regelung
des Potentials der Steuerelektrode von solcher Art, daß der Schirmgitterstrom während
der Anlaßperiode etwa konstant ist. Eine solche Regelung dieses Potentials, daß
der Schirmgitterstrom einen konstanten Teil des Anodenstromes durch die Röntgenröhre
darstellt, wird dadurch erhalten,'daß der Widerstand an die negative Klemme der
Spannungsquelle für die Schi,rmgitterspannung angeschlossen und mit der Kathode
der Röntgenröhre verbunden wird und in den Anodenkreis ein Kathodenwiderstand eingeschaltet
wird.
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Von einigen Ausführungsbeispielen der Vorrichtungen nach der Erfindung
wird im nachfolgenden eine ausführliche Beschreibung gegeben unter Verweisung auf
die Zeichnung, in der Fig. i das Prinzipschem.a eines Impulsgenerators zum Erzeugen
von Röntgenstrahlen, Fig. 2 bis 5 und 7 den Verlauf er auftretenden Spannungen und
Ströme darstellen, und Fig.6, 8, g und io schematisch Ausführungsformen von Vorrichtungen
nach der Erfindung darstellen.
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In Fig. i wird der Anode i der Röntgenröhre 2 die Speisespannung Vb,
die von der Größenordnung
von o,5 bis 2o kV sein kann, über die
Selbstinduktionsspule 3 zugeführt. Diese Spule besitzt neben ihrer Induktivität
eine geringe Kapazität, die :durch den Kondensator 4. wiedergegeben wird und in
dem die Röhrenkapazität und etwaige zusätzliche Kapazitäten enthalten sind. Die
Entladungsröhre z besitzt eine Kathode 5, die mit der negativen Klemme der Spannungsquelle
Vb und mit Erde verbunden ist, sowie die Steuerelektrode 6 unddas Schirmgitter 7.
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Zwischen der _Kathode 5 und der Steuerelektrode 6 wird die Spannung
Vg i angelegt, und dem Schirmgitter 7 wird die konstante Spannung V92 gegenüber
der Kathode 5 zugeführt. Der Steuerelektrode 6 wird periodisch eine negative Spannung
zugeführt, wodurch der infolge des Anlegens der Speisespannung in der Röntgenröhre
auftretende Strom unterbrochen wird. Der durch die Induktionsspule fließende Strom
kann nicht sofort gleich Null werden und lädt den Kondensator 4 auf. Folglich ergibt
sich eine Zunahme der Spannung der Röntgenröhre, und in dem Zeitpunkt, in dem die
Spannung bis zum Wert zugenommen hat, bei ,dem Röntgenstrahlen der erforderlichen
Wellenlänge entstehen können, wird die Steuerspannung wieder auf ihren ursprünglichen
Wert zurückgebracht.
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Der zeitliche Verlauf der Steuerspannung ist aus der Fig. 2 ersichtlich.
Wie oft in der Sekunde auf diese Weise geschaltet werden kann, ist von der Induktivität
der Spule 3, von dem Röhrenstrom i und von der Speisespannung Vb abhängig.
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Die Form des von der Kathode 5 gelieferten Elektronenstromes ist aus
der Fig. 3 ersichtlich. Dieser Strom wird aber nicht völlig zur Anode der Röntgenröhre
abgeleitet. Der Augenblickswert des Anodenstromes ist durch die Eigenschaften der
Induktivität bedingt und nimmt ab Null linear bis zum Maximalwert .zu. Der Verlauf
des Stromes in der Induktivität 3 ist ungefähr wie in Fig. 4 dargestellt, aus der
hervorgeht, daß der Strom kurze Zeit nach dem Öffnen der Röhren seinen niedrigsten
Wert erreicht. Diese Zeit bedingt die Dauer des Entladungsblitzes.
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Aus den Fig. 3- und 4 kann der Stromverlauf zum Schirmgitter 7 abgeleitet
werden. Dieser ist in der Fig.5 veranschaulicht. In dem Augenblick, in dem der Röhrenstrom
infolge des Negativwerdens der Steuerelektrode 6 unterbrochen wird, besteht ,der
Schirmgitterstrom praktisch völlig aus von den Gitterdrähten direkt aufgefangenen
Elektronen. Eine Unterbrechung des Röhrenstromes bewirkt auch die Unterbrechung
des Schirmgitterstromes, worauf beim öffnen der Röhre anfänglich der ,geringe direkt
aufgefangene Elektronenstrom vom Gitter abgeleitet wird, jedoch nach dem Ende des
Entladungsblitzes nimmt dieser Strom sehr stark zu, indem- das Schirmgitter bei
der in diesem. Moment sehr niedrigen Anodenspannung sämtliche Elektronen anzieht.
Während der Anlaßperiode nimmt der Anodenstrom allmählich zu, und der Schirmgitterstrom
nimmt dementsprechend ab. Es ergibt sich daher, daß der mittlere vom Schirmgitter
abgeleitete Elektronenstrom etwa gleich dem mittleren Anodenstrom ist.
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Das Durchlaßvermögen einer Entladungsröhre kann durch Änderung der
Schirmgitterspannung oder durch Anlegen einer wechselnden Spannung an die Steuerelektrode
geändert werden. Eine übliche Maßnahme zur Beschränkung des Schirmgitterstromes
besteht in der Anordnung eines Widerstandes in der Stromzuleitung dieses Gitters.
Hiermit ist ein Nachteil verbunden.
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Wenn man z. B. den maximal auftretenden Schirmgitterstrom auf dem
Doppelwert des Stromes beschränken will, der von den das Gitter direkt treffenden
Elektronen erzeugt wird, so folgt aus einer einfachen Berechnung, daß die Speisespannung
für das Schirmgitter das Zweifache der Spannung sein ruß, die für das maximale Durchlaßvermögen,
bei dem der volle Anodenstrom in der Röntgenröhre auftritt, .erforderlich ist. Diese
hohe Spannung stellt einen Nachteil dar, denn wenn .die Spannung an der Steuerelektrode
herabgesetzt wird, bis der Röhrenstrom unterdrückt ist, so tritt in diesem Widerstand
infolge der Abwesenheit von Schirmgitterstrom kein Spannungsverlust auf. Die Erscheinung,
daß die Schirmgitterspannung bis zum Doppelwert der Betriebsspannung zunehmen kann,
kann unerwünschte Entladungen und Funkenüberschläge zur Folge haben. In Fig.6 ist
dargestellt, auf welche Weise dieser Nachteil vermieden werden kann. Das Schirmgitter
ist außer mit dem Widerstand 2S noch mit einer Diode 29 verbunden, wobei die Diode
an ein etwa um die Hälfte niedrigeres Potential der Schirmgitterspannungsquelle
Vg. angeschlossen ist als der Widerstand 28. Die Diode 29 verhütet, daß das Potential
des Schirmgitters einen höheren Werterreicht als der Punkt, in. dem die Diode an
die Spannungsquelle angeschlossen ist.
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Ferner kann geprüft werden, welche Form die Spannungskurve der an
die Steuerelektrode angelegten Spannung haben ruß, um zu bewirken, daß der Strom
durch die Röhre in jedem Augenblick nicht viel größer als der Anodenstrom ist. Diese
Spannungskurve ist in der Fig. 7 dargestellt. Sie hat eine Gestalt, die sehr schwer
verwirklichbar ist. Nach der Erfindung wird daher die zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Entladungsblitzen erforderliche Steuerspannung getrennt zugeführt. Diese kann aus
einer sägezahnförmig verlaufenden Spannung bestehen, welche sehr leicht verwirklichbar
ist.
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Für die getrennte Zuführung zweier Steuerspannungen zur Steuerelektrode
kann die Schaltung nach Fig.8 dienen. In dieser Figur beziehen sich die in Fig.
i verwendeten Bezugszeichen auf gleiche Einzelteile.
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Die von einem nicht dargestellten, aber nach einer an sich bekannten
Schaltung ausgebildeten Generator gelieferten Impulse, welche die Erzeugung der
Röntgenstrahlen steuern, werden der Steuerelektrode 6 über die Diode 8 zugeführt,
deren Anode mit der Steuerelektrode 6 verbunden ist.
Beim Negativwerden
der Kathode ist die Diode stromdurchlässig, und der Kondensator g. wird bis auf
diese negative Spannung aufgeladen. Der Kondensator 9 wird von der Kapazität zwischen
der Steuerelektrode 6 und der Kathode 5 der Röntgenröhre und etwaigen zusätzlichen
Kapazitäten gebildet. Nach Ablauf der Dauer des negativen Spannungsimpulses wird
die Diode 8 gesperrt. Es muß dafür Sorge getragen werden, daß der Kondensator 9
schnell genug entladen wird, um innerhalb der Dauer des Entladungsblitzes durch
die Röntgenröhre das Potential der Steuerelektrode auf den ursprünglichen Wert zurückzubringen.
Zu diesem Zweck dient der Ableitungswiderstand io, dessen Wert der entsprechenden
RC.-Zeit entnommen wird.
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Die Potentialänderung zur Steuerung des Elektronenstromes in der Röntgenröhre
zwischen zwei Entladixngsblitzen wird über die Diode i i der Steuerelektrode zugeführt.
Der Verlauf der Spannung wird von der an die Kathode- dieser Diode angeschlossenen
Spannungsquelle, die nicht dargestellt ist, da sie von einer an sich bekannten Ausführung
sein kann, selbst geregelt. Beim Negativwerden der Kathode der Diode i i bleibt
die Diode 8 gesperrt, so daß keine Rückwirkung über diese auf die Impulsspannung
erfolgen kann. Dasselbe gilt für die Diode i i, wenn die Kathode der Diode 8 negativ
wird.
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Es ist aber möglich, die Steuerspannung für die Steuerung des Elektronenstromes
durch die Röntgenröhre zwischen den Entladungsblitzen Spannungsänderungen; zu entnehmen,
die vom Schirmgitterstrom in einem im Schirmgitterkress liegenden Widerstand herbeigeführt
werden:. Die getrennte Spannungsquelle zum Liefern dieser Steuerspannung kommt dann
in Fortfall, und der Schirmgitterstrom wird selbsttätig auf einen geringen Wert
beschränkt. Das Schaltbild einer solchen Vorrichtung nach Fig. 9 weist einen Zweistufenverstärker
auf, dessen Ausgang über den Kondensator 12 mit der Kathode des Gleichrichters i
i in Eig. 8 verbunden ist. Spannungsänderungen, die am Widerstand 13 bei
Änderung des Schirmgitterstromes auftreten, werden über den Kondensator 14 dem Steuergitter
15 der ersten Verstärkerröhre 16 zugeführt. Das Gitter 15 ist durch den Ableitungswiderstand
17 geerdet und mit der negativen Klemme der die Schirmgitterspannung T182 liefernden
Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsänderungen bewirken eine Änderung des Potentials
des Gitters 15, so daß die Röhre 16 mehr oder weniger stromdurchlässig wird.
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Bei Zunahme des Spannungsverlustes im Anodenwiderstand i9 nimmt die
Spannung an der Anode i8 der Röhre 16 zu, und diese Spannungszunahme bewirkt eine
Erhöhung des Potentials des Steuergitters 2o der zweiten Verstärkerröhre 21, das
mit der Anode 18 der Röhre 16 durch einen Kondensator 22 gekoppelt und über einen
Ableitungswiderstand 30 geerdet ist. Der Entladungsstrom durch die Röhre
21 nimmt zu und gleichfalls der Spannungsverlust im Widerstand 23, .der mit der
Anode z4 verbunden ist und daher mit der Röhre 21 in Reihe geschaltet ist. Die auftretende
Herabsetzung der Anodenspannung der Röhre 21 wird über den Kondensator r2 der Kathode
der Diode i i zugeführt.
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Eine starke Abnahme des Gitterpotentials der Verstärkerröhre 16 entsteht
nach dem Öffnen der Röntgenröhre zum Erhalten der Röntgenstrahlenemission, wenn
die Entladung so weit fortgeschritten ist, daß die Anodenspannung die Schirmgitterspannung
unterschreitet. In diesem Augenblick fängt das Schirmgitter an, der Entladung Elektronen
zu entziehen. Diese Potentialabnahme wird von dem Verstärker und dem Kondensator
12 über die Diode i i der Steuerelektrode 6 der Röntgenröhre weitergegeben und verringert
das Potential. dieser Elektrode, so daß der Elektronenstrom durch d-ie Röntgenröhre
abnimmt. Die richtige Abnahme ist eine solche, bei der der Schirmgitterstrom bis
auf einen Wert herabsinkt, der nur wenig größer ist als der vom Gitter direkt aufgefangene
Elektronenstrom.
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Das Durchlaßvermögen der Röntgenröhre 2 wird selbsttätig in Abhängigkeit
von den Spannungsänderungen am Widerstand 13 in dem Sinne geregelt, daß eine Zunahme
des Schirmgitterstromes eine Abnahme des Potentials der Steuerelektrode bewirkt,
und umgekehrt. Da vom Beginn der Anlaßperiode der Anodenstrom in der Röhre 2 infolge
der Zunahme des Anodenpotentials zunimmt, wird der Schirmgitterstrom abnehmen wollen,
wodurch aber das Potential der Steuerelektrode 6 zunimmt. Der Strom zum Schirmgitter
behält daher nahezu einen konstanten Wert.
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Durch Änderung der Schaltung kann das Verhältnis zwischen dem Schirmgitterstrom
und. dem Anodenstrom der Röntgenröhre konstant gehalten werden. Diese Schaltung,
die in Fig. io dargestellt ist, weicht von derjenigen nach Fig.9 dadurch ab, daß
der Widerstand 13 mit der negativen Seite der Spannungsquelle h12 und mit der Kathode
5 der Röntgenröhre verbunden ist und der Anodenstrom der Röntgenröhre einen Kathodenwiderstand
26 durchläuft. Das Verhältnis zwischen dem Widerstand 26 und dem Widerstand 13 ist
das Umgekehrte vom Verhältnis-zwischen dem auftretenden Schirmgitter- und Anodenstrom.
Haben die beiden Ströme den richtigen Wert, so ist das Potential des Verbindungspunktes
zwischen dem Widerstand 13 und der Spannungsquelle h" gerade Null. Die Störung dieses
Verhältnisses bewirkt eine Potentialänderung dieses Punktes, die vom Verstärker
auf die Steuerelektrode 6 der Röntgenröhre ? übertragen wird, so daß bei Zunahme
des Schirm.gitterstromes das Potential der Steuerelektrode 6 abnimmt und bei Abnähme
desselben zunimmt. Die Wirkungsweise der Vorrichtung weicht nicht von derjenigen
ab, die an Hand der Fig. 9 besprochen wurde, und gleiche Einzelteile der Schaltung
haben entsprechende Bezugsziffern.
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In den beiden Schemas nach den Fig. 9 und io liegt zwischen dem Kondensator
12 und der Diode i i
ein Widerstand 25, der mit einem Punkt 31 des
Potentiometers 27 in der Kathodenzuleitung der Entladungsröhre 21 verbunden ist.
Diese Zuführung dient zur Einstellung der Arbeitspunkte der Röntgenröhre 2.
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An dem Widerstand 13 sind nur geringe Spannungsänderungen erforderlich,
um nach erfolgter Verstärkung die erforderliche Änderung der Steuerspannung für
die Röntgenröhre 2 herbeizuführen. Es genügt daher ein kleiner Widerstand, wobei
der infolge des Schirmgitterstromes in diesem auftretende Spannungsverlust einen,
niedrigen Wert besitzt und das Potential des Schirmgitters bei Unterbrechung dieses
Stromes nicht nennenswert zunimmt.
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Die Gleichspannung zum Speisen der Verstärkerröhren ist der Spannungsquelle
V92 zum Liefern des Schirmgitterpotentials entnommen. Andere für diesen Zweck geeignete
Möglichkeiten bleiben unibesprochen. Ferner sind in den Schaltungen einige Elemente,
wie Abflachkondensatoren, nicht dargestellt, da hinreichend bekannt ist, wo diese
erforderlich sind.