Hochspannungs-Vakuumröhre, insbesondere Röntgenröhre

Abstract

 Bei Hochspannung-Vakuumröhren, insbesondere Röntgenröhren, mit einer positives Hochspannungspotential führenden Elektrode (Anode), die über einen Isolator mit einem leitfähigen Teil (z.B. Metall-Röhrenkofben) verbunden ist, können sich bei sehr hohen Temperaturen Entladungsvorgänge ergeben. Zur Vermeidung dieser Entladungsvorgänge sieht die Erfindung eine Abschirmelektrode (18) in geringem Abstand vom Isolator (14) vor, die so geformt ist, dass die elektrische Feldstärke im Verbindungsbereich (17) zwischen dem Isolator (14) und dem leitfähigen Teil (1) herabgesetzt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungs-Vakuumröhre, insbesondere eine Röntgenröhre, mit einer in ihrem Vakuumraum befindlichen Elektrode, die im Betriebszustand gegenüber einem sie wenigstens teilweise umschliessenden elektrisch leitenden Teil positive Hochspannung führt, wobei die Elektrode oder ein mit ihr verbundener Teil mit dem leitfähigen Teil über einen Isolator verbunden ist.

[0002] Eine solche Hochspannungs-Vakuumröhre ist aus der DE-OS 25 06 841 bekannt. Die Elektrode ist dabei im allgemeinen die Anode der Hochspannungs-Vakuumröhre. Bei Drehanoden-Röntgenröhren kann die Elektrode aber auch die das gleiche Potential wie die Anodenscheibe führende die Anodenscheibe tragende Welle sein. Der elektrisch leitende Teil ist in der Regel der aus Metall bestehende Röhrenkolben einer solchen Röhre bzw. ein Teil davon. Es kann jedoch auch - bei Drehanoden-Röntgenröhren - ein Metallzylinder sein, der zusammen mit einem Isolator und der Welle der Drehanodenscheibe rotiert und über ein Lager mit dem Gehäuse der Röntgenröhre verbunden ist, wie aus der DE-PS 24 55 974 bekannt. Der Isolator ist in der Regel so geformt, daß sein kegelstumpfförmiger Innenmantel sich in Achsrichtung von dem Verbindungsbereich mit der Elektrode aus erweitert.

[0003] Bei der bekannten Hochspannungs-Vakuumröhre wird durch die Formgebung des Isolators erreicht, daß Entladungsvorgänge auf der Isolatoroberfläche unterbunden werden, die die Betriebssicherheit der Röhre herabsetzen könnten. Bei thermisch stark belasteten Röhren wird jedoch durch die erhöhte Temperatur des Isolators die Bindungsenergie von auf der Oberfläche adsorbierten Gasschichten herabgesetzt, so daß durch Elektronen stimulierte Desorption in erhöhtem Maße stattfinden kann und dadurch Entladungsvorgänge eingeleitet werden (R.A. Anderson, J.P. Brainard: Machanism of pulsed surface flashover involving electron-stimulated desorption, J. Appl. Phys. 51, 1414, (1980)).

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochspannungs-Vakuumröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch bei starker thermischer Belastung die beschriebenen Entladungsvorgänge weitgehend unterbunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Verbindung zwischen dem Isolator und dem leitenden Teil eine das Potential des leitenden Teils führende Abschirmelektrode in geringem Abstand vom Isolator vorgesehen ist, die so geformt ist, daß die elektrische Feldstärke im Verbindungsbereich herabgesetzt wird. Die Erfinder haben erkannt, daß die geschilderten Entladungsvorgänge im Betriebszustand bei starker thermischer Belastung ihren Ursprung in dem Bereich der Verbindung zwischen dem Isolator und dem leitenden Teil haben, der dem elektrischen Feld zwischen dem leitenden Teil und der Elektrode ausgesetzt ist, insbesondere wenn in diesem Bereich der Isolator-durch eine Hartlötung an den elektrisch leitenden Teil angelötet ist. Dadurch,daß die Abschirmelektrode das elektrische Feld in diesem Bereich herabsetzt, werden die geschilderten Entladungsvorgänge weitgehend unterbunden.

[0005] Die Abschirmelektrode selbst kann auch bei sorgfältiger Bearbeitung (elektropolieren) noch kleinste Inhomogenitäten aufweisen, die im Betriebszustand Emissionszentren bilden können. Wenn die aus diesen Emissionszentren emittierten Elektronen auf der Isolatoroberfläche zur Elektrode (Anode) hin laufen, können sich hieraus wiederum Entladungsvorgänge ergeben. Um auch diese Möglichkeit zu verringern, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Abschirmelektrode gegenüber dem Isolator so angeordnet ist, daß auf der von dem leitenden Teil abgewandten Oberfläche der Abschirmelektrode emittierte Elektronen größtenteils nicht auf die Innenfläche des Isolators treffen können, insbesondere daß die Abschirmelektrode gegenüber der durch die Innenfläche des Isolators gegebenen Mantelfläche zurückgesetzt angeordnet ist, derart daß sie von der Fortsetzung der kegelmantelförmigen Innenfläche des Isolators nicht geschnitten wird.

[0006] Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Isolator so geformt ist, daß zwischen ihn und dem leitenden Teil ein zur Abschirmelektrode offener Hohlraum eingeschlossen wird. Hierbei ist der Bereich der Verbindungsstelle zwischen dem Isolator und dem leitenden Teil gegen Entladungsträger, die durch den Zwinhenraum zwischen der Abschirmelektrode und dem Isolator hindurch in Richtung auf den elektrisch leitenden Teil laufen,.. weitgehend geschützt, so daß die Entladungsvorgänge besonders wirksam unterbunden werden können.

[0007] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte Röntgenröhre,

Fig. 2 einen Teil einer solchen Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung,

Fig. 3 und 4 andere Ausgestaltungen der Erfindung.

[0008] Anhand der in Fig. 1 dargestellten bekannten Röntgenröhre sollen zunächst nochmals die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre, deren Koleben 1 vollständig aus Metall besteht.. Der Kolben 1 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut. Die Anodenscheibe 2 weist eine abgeflachte Brennfleckbahn auf, der gegenüber die Kathode 3 angeordnet ist, die über einen Isolator 4 mit einem Metallzylinder 5 verbunden ist, der seinerseits mit dem in diesem Bereich eine Öffnung aufweisenden Kolben verbunden ist. Die Anode ist an zwei Stellen gehaltert. Am unteren Ende des Metallkolbens ist ein zur Rotationsachse konzentrischer Zapfen 6 vorgesehen, der ein Lager 7 trägt, das über einen Ring 8 mit dem zylinderförmigen Rotor 9 verbunden ist. Der Zapfen 6, das Lager 7 und der Ring 8 stellen eine leitende Verbindung zwischen dem Kolben 1 und dem Rotor 9 her, so daß mit dem Metallkolben auch der Rotor geerdet ist. Der Ring 8 und mit ihm der Rotor 9 ist über einen weiteren Ring 15 mit einem Isolator 11 verbunden, der auf einer die Anodenscheibe 2 tragenden Welle 12 befestigt ist.

[0009] Die Zufuhr der Hochspannung an die Anode erfolgt über ein weiteres Lager 13, das in einem mit dem Röhrenkolben 1 verbundenen Isolator angebracht ist, der eine konusförmige Öffnung 16 zur Aufnahme eines Hochspannungssteckers aufweist. Das Kugellager 13 dient zur Lagerung der Welle 12. Die Hochspannung wird der Anodenscheibe 2 also über das Lager 13 und die Welle 12 zugeführt.

[0010] Solange die Röntgenröhre thermisch normal belastet wird, finden aufgrund der Form des Isolators 14 keine Entladungsvorgänge statt. Bei sehr starker thermischer Belastung jedoch können auch bei einer derartigen Röntgenröhre Entladungsvorgänge auftreten, insbesondere wenn der Isolator 14 und der Kolben 1 durch eine Hartlötverbindung miteinander verbunden sind. Der kritische Bereich ist dabei der Bereich 17, in dem der Kolben 1, der Isolator 14 und das Vakuum in der Röhre aneinander angrenzen. Dieser Bereich, der sich nicht, wie die Zeichnung vermuten läßt, auf einen Punkt beschränkt, sondern die Welle 12 konzentrisch umschließt, ist dem elektrischen Feld zwischen dem Kolben 1 und der welle 12 ausgesetzt. Er kann bei übermäßiger thermischer Belastung Temperaturen von weit über 100°C annehmen.

[0011] Fig. 2 zeigt einen Teil des Metallkolbens mit dem Isolator 14 in teilweise aufgebrochener Darstellung in einem im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerten Maßstab mit der erfindungsgemäßen Abschirmelektrode. Die ringförmige Abschirmelektrode 18 befindet sich in unmittelbarer Nähe des Endes des Isolators, in dem sich der kritische Bereich 17 befindet, in dem der Kolben 1, der Isolator und das Vakuum aneinandergrenzen. Die Abschirmelektrode besteht vorzugsweise aus Reineisen oder einem anderen Metall, z.B. CrNi-Stahl, und ist konzentrisch zur Welle 12 auf der Innenseite des Metallkolbens 1 angeschweißt.

[0012] Sowohl die Abschirmelektrode als auch der Isolator sind so geformt, daß sie mit dem Kolben 1 jeweils einen nutenförmigen Hohlraum bilden, der zum Isolator bzw. zur Abschirmelektrode hin offen ist. Durch diese Gestaltung wird einerseits die Feldstärke in dem kritischen Bereich herabgesetzt und andererseits können die durch den Spalt zwischen der Abschirmelektrode 18 und dem Isolator 14 hindurchtretenden Ladungsträger nicht unmittelbar diesen kritischen Bereich treffen.

[0013] Der Spalt zwischen den einander zugewandten Enden des Isolators 14 und der Abschirmelektrode 18 beträgt etwa 1 mm. Er sdlte aber 3 mm nicht überschreiten. Ist er jedoch wesentlich kleiner als 0,5 mm, dann ergeben sich in diesem Spalt sehr hohe Feldstärken, die zur Feldemission auf der Oberfläche der Abschirmelektrode 18 führen können. Außerdem läßt sich die Abschirmelektrode dann schlecht konditionieren. Ist er wesentlich größer als 3 mm, dann wird das elektrische Feld in dem kritischen Bereich zwischen Metallkolben 1, Isolator 14 und Vakuum kaum durch die Abschirmelektrode 18 herabgesetzt.

[0014] Zweckmäßigerweise wird die Abschirmelektrode z.B. durch Elektropolieren so behandelt, daß sich auf ihrer Oberflächelaum Emissionszentren befinden. Um zu verhindern, daß gleichwohl noch aus ihrer Oberfläche austretende Elektronen auf die der Welle 12 zugewandten Fläche des Isolators treffen können und auf dieser zur Welle 12 bzw. dem damit verbundenen Kugellager 13 (Fig. 1) laufen können, wodurch Entladungsvorgänge ausgelöst werden könnten, sollte die Elektrode 18 so angeordnet sein, daß aus ihr emittierte Elektronen direkt zur Welle 12 laufen und den Isolator nicht erreichen können. Zu diesem Zweck ist die Abschirmelektrode zweckmäßigerweise zurückgesetzt angeordnet, d.h. ihr Innendurchmesser ist so. bemessen, daß-die kegelstumpfförmige, sich zur Abschirmelektrode hin erweiternde Innenmantelfläche des Isolators.14 bzw. deren durch Linien 19 angedeutete Verlängerung die Abschirmelektrode 18 nicht schneiden.

[0015] Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, die einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre zeigt. Die einander zugewandten Stirnflächen des Isolators 14 und der Abschirmelektrode 18 sind dabei näherungsweise eben und verlaufen ungefähr senkrecht zur Wand des Metallkolbens 1. Dadurch wird zwar die Feldstärke in der kritischen Zone zwischen dem Kolben, dem Isolator 14 und dem Vakuum herabgesetzt, doch können durch den Spalt hindurchtretende Ladungsträger diese Zone unmittelbar erreichen. Diese Ausführungsform ist daher nicht ganz so wirksam wie die in Fig. 2 dargestellte.

[0016] Eine weitere Ausführungsform ist schließlich in Fig. 4 dargestellt. Die Abschirmelektrode 18 ist dabei ähnlich geformt wie in Fig. 2, d.h. sie schließt mit der Wand des Kolbens 1 einen nutenförmigen, umlaufenden und zum Isolator 14 hin offenen Hohlraum ein, in den ein vergleichsweise dünnes Ende des Isolators 14 hineinragt.

[0017] Obwohl die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem feststehenden Isolator erläutert wurde, ist sie grundsätzlich auch bei einem rotierenden Isolator anwendbar. Wenn beispielsweise in Fig. 1 der geerdete Metallring 15 so lang wäre, daß sich ein Bereich bzw. eine Zone ergäbe, in der der Vakuumrau, der Metallring 15 und der Isolator 11 aneinander angerenzen und in die das zwischen dem Metallring 15 und der Welle 12 wirksame elektrische Feld eingreifen würde, könnte die Erfindung auch dabei entsprechend angewandt werden.

[0018] In der Zeichnung ist der Isolator so geformt, daß die im Betriebszustand auftreffenden Elektronen zumindest auf einem wesentlichen Teil seiner Oberfläche ein elektrisches Feld vorfinden, das sie von der Isolatoroberfläche weg bewegt, weil der kegelstumpfförmige Innenmantel des Isolators sich in Achsrichtung gesehen von dem Verbindungsbereich mit der Elektrode aus erweitert. Anstelle dieser Isolatorform ist die Erfindung jedoch auch bei einer Isolatoranordnung anwendbar, die mit einer konzentrischen Mulde versehen ist und einen von der Mulde umschlossenen, die Elektrode tragenden Isolatorteil aufweist sowie einen äußeren Isolatorteil, der die Mulde umschließt und mit dem leitenden Teil (dem Röhrenkolben oder dem Rotor) verbunden ist.

[0019] Die Erfindung beschränkt sich auch nicht auf Drehanoden-Röntgenröhren. Sie kann vielmehr auch bei anderen Röntgenröhren sowie bei anderen Hochspannungs-Vakuumröhren (z.B. Neutronenröhren) angewandt werden.

Ansprüche

1. Hochspannungs-Vakuumröhre, insbesondere Röntgenröhre, mit einer in ihrem Vakuumraum befindlichen Elektrode, die im Betriebszustand gegenüber einem sie wenigstens teilweise umschliessenden elektrisch leitenden Teil positive Hochspannung führt, wobei die Elektrode oder ein mit ihr verbundener Teil mit dem leitfähigen Teil über einen Isolator verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (17) der Verbindung zwischen dem Isolator (14) und dem leitenden Teil (1) eine das Potential des leitenden Teils (1) führende Abschirmelektrode (18) in geringem Abstand vom Isolator (14) vorgesehen ist, die so geformt ist, daß die elektrische Feldstärke in dem Verbindungsbereich (17) herabgesetzt wird.

2. Hochspannungs-Vakuumröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (18) gegenüber dem Isolator (14) so angeordnet ist, daß von der von dem leitenden Teil (1) abgewandten Oberfläche der Abschirmelektrode emittierte Elektronen größtenteils nicht auf die Innenfläche des Isolators (14) treffen können.

3. Hochspannungs-Vakuumröhre nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (18) gegenüber der durch die Innenfläche des Isolators (14) gegebenen Mantelfläche (19) zurückgesetzt angeordnet ist, derart, daß sie von der Fortsetzung (19) der kegelmantelförmigen Innenfläche des Isolators (14) nicht geschnitten wird.

4. Hochspannungs-Vakuumröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (18) so geformt ist, daß zwischen ihr und dem leitenden Teil (1) ein zum Isolator hin offener Hohlraum eingeschlossen wird (Fig. 2).

5. Hochspannungs-Vakuumröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator so geformt ist, daß zwischen ihn und dem leitenden Teil ein zur Abschirmelektrode offener Hohlraum eingeschlossen wird (Fig. 2).

6. Hochspannungs-Vakuumröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Abschirmelektrode zugewandte Stirnfläche des Isolators eben ist und ungefähr senkrecht zur Wand verläuft (Fig. 3).

7. Hochspannungs-Vakuumröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Isolator zugewandte Stirnfläche der Abschirmelektrode eben ist und ungefähr senkrecht zur Oberfläche des leitenden Teils verläuft (Fig. 3).

Zeichnung