DE957146C

DE957146C - Schaltanordnung zur selbsttaetigen Begrenzung der Temperatur der Anode einer Roentgenroehre

Info

Publication number: DE957146C
Application number: DEC6557A
Authority: DE
Inventors: Julien Saget
Original assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Current assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Priority date: 1951-11-19
Filing date: 1952-10-19
Publication date: 1957-01-31
Also published as: FR1045273A; US2798963A

Description

Bekanntlich erhitzt sich in einer Röntgenröhre der Auftreffpunkt der Kathodenstrahlen an der Anode, von dem die Röntgenstrahlen ausgehen, außerordentlich stark, weil der größte Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Temperaturerhöhung des Brennflecks einer Röntgenröhre wird durch die Leitfähigkeit der Anode und durch die infolge Wärmeabstrahlung oder sonstwie mittels Wärmeableitung hervorgerufene Abkühlung begrenzt. In der Regel benutzt man als Anode einen Vollkörper aus Wolfram, dessen Temperatur bis zu dem in der Nähe des Schmelzpunktes dieses Metalls liegenden höchsten Erhitzungsgrad ansteigen kann. Die Anode wird somit normalerweise auf eine fast die Weißglut erreichende Temperatur gebracht, utid nur ihr Schmelzen oder Verformen beschränkt die •zulässige Strahlungsleistung der Röntgenröhre.

Die Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung für Röntgenröhren zu ao schaffen, welche selbsttätig die Temperatur der Anode auf einen möglichst hohen und dabei mit der Erhaltung des Anodenkörpers noch verträglichen Wert begrenzt. Sie geht aus von einer bekannten Schaltungsanordnung, bei der diese Aufgabe dadurch gelöst ist, daß die Elektronen, welche die auf

hohe Temperatur gebrachte Anode abgeben kann, dazu ausgenutzt werden, die Aussendung des die Röntgenstrahlen erzeugenden Kathodenstrahlenbündels so mäßigend zu beeinflussen, daß die Erhöhung der Temperatur der Anode selbsttätig die dieser zugeführte elektrische Leistung vermindert.

Bei der bekannten Anordnung wird die Röntgenröhre unter gewöhnlicher, d. h. symmetrischer ίο Wechselspannung betrieben, bei der insbesondere die Höchstspanniingswerte gleich und von entgegengesetztem Vorzeichen bei jedem Wechsel sind. Hierbei treten aber Schwierigkeiten auf, welche dadurch bedingt sind, daß die Elektronen, die von der auf hohe Temperatur gebrachten Anode ausgesendet werden, bei der umgekehrten Halbwelle durch eine Spannung beschleunigt werden, die gleich der Sp'annung ist, welche bei der direkten Halbwelle die von dem Glühfaden kommenden ao Elektronen beschleunigt. Jedes von der Anode abgegebene »umgekehrte« Elektron trifft daher auf die Kathodengesamtheit mit einer Energie auf, welche gleich der Energie ist, mit der jedes vom Glühfaden ausgesandte »direkte« Elektron auf die Anode stößt, und da die Zahl der von der Anode abgegebenen Elektronen sehr rasch mit der Anodentemperatur zunimmt, kann die Energie des »indirekten« Elektronenzuflusses von der gleichen Größenordnung wie die Energie des »direkten« Elektronenstromes sein.

Die Energie des »direkten« Elektronenzuflusses, die nur mit geringem Wirkungsgrad Röntgenstrahlen liefert, wird zum größten Teil in Wärmeenergie umgewandelt, welche rasch die Temperatur der Anode steigert. Diese kann zwar bis zu einer •bestimmten Grenze den Glühzustand auf Grund ihrer Ausbildung und infolge Wärmeabstrahlung aushalten, aber die Gesamtheit der Kathode ist nicht so ausgeführt, daß sie eine derartige Energiemenge zu zerstreuen vermag, und wird daher rasch durch den »umgekehrten« Elektronenfluß zerstört werden, wenn man nicht für sie eine hinreichende Wärmeableitung entweder durch Anwendung von großen, baulich hinderlichen Abmessungen oder durch irgendeine umständliche und daher ebenfalls sich sehr hinderlich auswirkende Kühleinrichtung vorsieht oder sie gegen den »umgekehrten« Elektronenfluß durch einen selbst eine genügende Wärmezerstreuung aufweisenden Schirm schützt. Um all diese Schwierigkeiten zu vermeiden, die bei der selbsttätigen Begrenzung der Anodentemperatur einer Röntgenröhre durch Beschränkung des vom Kathodenglühfaden ausgesandten Elektronenflusses und Verminderung der während der direkten Halbwelle stattfindenden Elektronenaussendung mittels des durch die Spannung der umgekehrten Halbwelle beschleunigten Elektronenflusses die Verwendung einer Wechselspannung mit zueinander symmetrischen Halbwellen als Arbeitsspannung der Röhre zur Folge hat, wird nach der Erfindung zwischen der Anode und der Kathode der Röntgenröhre eine sehr stark unsymmetrische sinus- oder nicht sinusförmige Wechselspannung angelegt und hierdurch die Energie des Elektronenflusses in der umgekehrten Halbwelle auf den für die Erzielung der gewünschten Regelung der Anodentemperatur erfordeirlichen Wert begrenzt. Die weitgehende Unsymmetrie dieser Wechselspannung kann dabei durch irgendein bekanntes Verfahren, z. B. durch Überlagerung einer sinusförmigen Wechselspannung und einer Gleichspannung von einem unter der Höchstspannung dieser Wechselspannung liegendem Wert, erreicht werden.

Man hat die Verwendung einer unsymmetrischen Wechselspannung bereits bei Röntgenröhren zu dem Zweck vorgeschlagen, durch Verminderung der Spannung in der umgekehrten Halbwelle auf einen die direkte Halbwelle unterschreitenden Wert die Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich für" die Isolierung durch diese sonst wesentlich über der Belastungsspannung der direkten Welle liegenden Leerspannung ergeben. Im Gegensatz. hierzu erfolgt nach der Erfindung. das Anlegen einer unsymmetrischen Wechselspannung an die Anode und die Kathode einer Röntgenröhre nicht zur Vereinfachung der Lösung eines Isolierungsproblems, sondern dient vielmehr dazu, die Energie des umgekehrten zur Verminderung der direkten kathodischen Elektronenaussendung benutzten Elektronenflusses entsprechend der beabsichtigten Regelung der Anodentemperatur zu beschränken und dadurch für die Kathodengesamtheit eine normale Ausführung mit geringen Abmessungen unter Fortfall einer Kühl- und Schirmvorrichtung zu ermöglichen.

Durch die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird entweder jede erhebliche Beschleunigung und damit eine hohe Endgeschwindigkeit der von der Anode ausgesendeten Elektronen auf Grund einer genügend abgeflachten Wellenform der umgekehrten Spannung verhindert oder die Zahl der einer hohen Beschleunigung unterworfenen Elektronen auf Grund der Anwendung der Höchstspannung nur während eines sehr geringen Bruchteiles der umgekehrten Wellenhälfte, d. h. auf Grund der Benutzung einer spitzen, aber schmalen und einen kleinen Mittelwert aufweisenden umgekehrten Spannungswelle begrenzt.

Der Fokussierungsteil der Röhre kann in der Kathode angeordnet sein und mit dem Glühfaden lediglich über die Kathode und ein beide Wellenhälften des Wechselstromes durchlassendes, aus Kondensator und Parallelwiderstand bestehendes Schaltgebilde in Verbindung stehen. Statt den Fokussierungsteil mit der Kathode zu vereinigen, kann man ihn auch von dieser getrennt vorsehen und ihn lediglich mit dem einen Ende des Glühfadens leitend verbinden und das aus Kondensator und Widerstand zusammengesetzte Schaltgebilde dabei zwischen diesem Glühfadenende und der Kathode einfügen. Ferner kann mit der Kathode ein Gitter oder Drahtstück elektrisch verbunden sein, das in unmittelbarer Nähe des Glühfadens angeordnet ist, so daß es eine bestimmte Menge von aus diesem austretenden und nach der Anode strebenden Elektronen auffängt und dadurch im

Sinne der Erfindung regelnd wirkt, ohne jedoch das durch den Fokussierungsteil nach der Anode gelenkte Kathodenstrahlenbündel irgendwie zu beeinflussen.

Die Zeichnung veranschaulicht die Schaltanordnung nach der Erfindung in

Abb. ι und 3 beispielsweise in zwei Ausführungs-' formen und in
Abb. 2 ihre Wirkungsweise in Kurvendarstellung.

Gemäß Abb. 1 kann die aus einem Wolframkörper bestehende Anode 1 beispielsweise als umlaufende kreisrunde Scheibe ausgebildet sein, und der Elektronen aussendende Glühfaden 2 erzeugt im Zusammenwirken mit dem in der Kathode 3 angeordneten, die Elektronen konzentrierenden, z. B. zylindrischen Fokussierungsteil 4 das Kathodenstrahlenbündel 11. Der Glühfaden 2 und der Zylinder 4 stehen nur durch einen zu einem Widerstand 6 parallel geschalteten Kondensator 5 miteinander in Verbindung. Die Anode 1 und der von einer nicht dargestellten Spannungsquelle aus gespeiste Glühfaden 2 sind an eine Wechselstromquelle 7, beispielsweise die Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators, angeschlossen, die mit einer Gleichstromquelle 8 in Reihe liegt, die durch einen Kondensator gebildet sein kann, der durch einen Hochspannungstransformator 9 aufgeladen wird, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter 10, z. B. einen Hochvakuumgleichrichtar, an die Klemmen dies Kondensators 8 angeschlossen ist.

Wenn U₁ der Höchstwert der Spannung der Wechselstromquelle 7 und U₂ die Spannung der Gleichstromquelle 8 ist, werden die beiden Spannungsquellen so gewählt, daß JJ₁ größer als U₂ ist. Die Kurve der Spannung nimmt dann die aus Fig. 2 ersichtliche Form an. Die dem Summenwert U₁ + U₂ entsprechende Spannung wird zur Erzeugung der Röntgenstrahlen verwendet, während der dem Differenzwert U₁ —U₂ entsprechende Teil, der im entgegensetzten Sinn benutzt wird, die von der" glühenden Anode 1 ausgesendeten Elektronen nach der Kathode 3 beschleunigt und so den Kondensator 5 aufladet. Durch den Fokussierungsteil 4, der dann stärker negativ ist, wird die Aussendung der Elektronen verringert, wenn die Spannung U₁ + U₂ angelegt wird. Der Strom wird so, indem er in seiner Stärke abnimmt, die Temperatur der Anode stabilisieren.

Durch geeignete Anpassung der Werte der Spannungen U₁ und CZ₂ sowie des Kondensators .5 und des Widerstandes O₁ an die Betriebsverhältnisse der Röntgenröhre läßt sich daher eine selbsttätige Leistungsregelung erreichen, durch welche die Temperatur der Anode auf einen Wert begrenzt wird, bed dem diese in unverändertem körperlichem Zustand erhalten bleibt, und gleichzeitig wird für die ausgesandte Röntgenstrahlung das mögliche Höchstmaß an Leistung gewahrt. Der in der Kathode 3 angeordnete, die Elektronen konzentrierende Zylinder 4 kann durch ein Gitter ergänzt werden, das die Elektronenabgabe der Kathode steuert und mit dieser elektrisch verbunden ist.

Da bei der Schaltanordnung nach Abb. 1 der die Elektronen konzentrierende Fokussierungsteil 4 mit der Kathode 3 aus einem Stück besteht, kann sich möglicherweise daraus eine Veränderung der Abmessungen des Brennfleckes der Röntgenstrahlung ergeben. Diese ungünstige Folgewirkung der körperlichen Verbindung der Teile 3 und 4 kann durch eine geschickte Ausführung des Fokussierungsteiles 4 abgeschwächt oder beseitigt werden. Zu diesem Zweck kann man insbesondere eine elektrische Trennung der Kathode 3 von dem Teil 4 in der Art von Abb. 3 vorsehen, welche sich von der Abb. 1 dadurch unterscheidet, daß der die Elektronen konzentrierende Zylinder 4 elektrisch mit dem als Elektronenquelle wirksamen, durch die Sekundärwicklung 12 eines Transformators gespeisten Glühfaden 2 verbunden sowie eine innerhalb oder außerhalb der Glühfadenwendel 2 vorgesehenes Drahtstück oder Gitter 13 an die Kathode 3 elektrisch angeschlossen ist und die Parallelgruppe von Kondensator 5 und Widerstand 6 zwischen diesem Leiterstück oder Gitter 13 und dem Glühfaden 2 liegt. .

Die Schaltanordnung nach Abb. 3 weicht in ihrer Wirkungsweise von der in Abb. 1 wiedergegebenen Ausführungsform der Erfindung lediglich dadurch ab, daß das Drahtstück oder Gitter 13 Elektronen, die vom Glühfaden 2 abgegeben werden, auffängt, ohne indessen irgendeinen Einfluß auf die durch den Zylinder 4 bewirkte Konzentration der Elektronen 11 auszuüben. Genauer betrachtet, wirkt die durch das Drahtstück oder Gitter 13 gebildete Elektrode in der Weise, daß normalerweise der Glühfaden 2 eine nur von seiner Erhitzung abhängige Zahl von Elektronen aussendet und dieser Elektronenstrom nun in zwei Teilströme zerlegt wird, von denen der eine durch den Fokussierungszylinder 4 erfaßt wird und den Brennfleck für die Röntgenstrahlung erzeugt und der andere durch die Elektrode 13 aufgefangen wird und die Ladung des Kondensators 5 aufhebt.

Je mehr Elektronen auf diese Weise der durch den Glühfaden 2 ausgesandten, verfügbaren gesamten Elektronenmenge entzogen werden und je höher der Kondensator 5 aufgeladen wird, um so mehr wird die am Brennneck nutzbare Zahl von Elektronen vermindert. Somit wird die Anode 1, je stärker sie sich erhitzt, um so mehr Elektronen abgeben, die von der Kathode 3 aufgefangen werden und den Kondensator aufladen, und um so größer wird dann die dem Glühfaden 2 durch die Elektrode 13 entzogene Elektronenmenge und daher um so stärker die Schwächung des durch den. Fokussierungszylinder 4 auf den Brennneck an der Anode 1 eingestellten Kathodenstrahlenbündels 11 sein. Gemäß Abb. 3 wird demnach wie bei der Schaltanordnung nach Abb. 1 eine Selbstregelung des Stromes in der Röntgenröhre zur gewünschten Begrenzung der Temperatur der Anode erreicht.

Claims

Patentansprüche:

i. Schaltanordnung zur selbsttätigen Begrenzung der Temperatur der Anode einer Röntgen-

röhre durch Beschränkung des vom Kathodenglühfaden ausgesandten Elektronenflusses, wobei zur Verminderung der während der direkten Halbwelle stattfindenden Elektronenaussendung der durch die Spannung der umgekehrten Halbwelle beschleunigte Elektronenfluß benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer sehr stark unsymmetrischen sinus- oder nicht sinusförmigen Wechselspannung

ίο zwischen Anode (i) und Kathode (3) die Energie des Elefctronenflusses in der umgekehrten Halbwelle auf den für die Erzielung der gewünschten Regelung der Anodentemperatur erforderlichen Wert begrenzt wird.
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungsteil (4) lediglich über die Kathode (3) und ein beide Wellenhälften des Wechselstromes durchlassendes, aus Kondensator (5) und Parallelwiderstand (6) bestehendes Schaltgebilde an den Glühfaden (2) angeschlossen ist (Abb. 1).
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungsteil (4) lediglich mit dem einen Ende des Glühfadens (2) leitend verbunden ist und zwischen diesem Glühfadenende und der Kathode (3) ein beide Wellenhälften des Wechselstroms durchlassendes, aus Kondensator (5) und Parallelwidearstand (6) bestehendes Schaltgebilde liegt (Abb. 3).
4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in unmittelbarer Nähe des Glühfadens (2) angeordnetes Gitter oder ein Drahtstück mit der Kathode (3) elektrisch leitend verbunden ist, so daß es eine bestimmte Menge von aus dem Glühfaden (2) austretenden und nach der Anode-(i) strebenden Elektronen ohne eine Einwirkung auf die Konzentration der vom Fokussierungsteil (4) gelenkten Elektronen auffängt (Abb. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 514027;
französische Patentschrift Nr. 978570;

britische Patentschrift Nr. 524 576.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609549/408 7.56 (609 777 1. 57)