[0001] Die Erfindung betrifft eine Feinfokus-Röntgenröhre, in deren evakuiertem Kolben eine
von einem Gitter umgebene Glühkathode und eine mit Target, elektromagnetischen Elektronenstrahlbündelungs-
und-ablenkungsvorrichtung und einer Eintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht
sind und ein Verfahren zur Bildung eines Mikrofokus der Elektronenemission einer Röntgenröhren-Glühkathode.
[0002] In dem Bestreben, das Auflösungsvermögen bei Röntgengeräten zu steigern, um immer
kleinere Details in Röntgenaufnahmen zu erkennen, z.B. feinste Haarrisse in Turbinenschaufeln,
wurden Röntgenröhren entwickelt, deren Glühkathoden aus immer feineren Drähten hergestellt
wurden und die wie spitze Nadeln geformt wurden, um die Elektronenaustrittsfläche
- an der Nadelspitze - möglichst klein zu gestalten. Nur so glaubte man bisher der
Regel aus der Optik, - je kleiner und punktförmiger die Lichtquelle, um so höher das
Auflösungsvermögen -, entsprechen zu können und scharfe Röntgenbildaufnahmen erzielen
zu können.
[0003] Es gelingt auch, auf diesem Wege das Auflösungsvermögen eines Röntgengerätes erheblich
zu steigern, doch nur um den Preis einer geringeren Elektronenemission und um den
Preis einer stark verkürzten Lebensdauer der Glühkathode. Die geringere Elektronenemission
führt dazu, daß man in der medizinischen Anwendung von Röntgengeräten längere Expositionszeiten
benötigt und dadurch den Patienten stärker belastet, während in der Anwendung von
Röntgengeräten zur Materialprüfung dem Durchdringungsvermögen Grenzen gesetzt sind,
die Untersuchungen erheblich längere Zeit in Anspruch nehmen und die Einsatzmöglichkeiten
am bewegten Untersuchungsobjekt erheblich eingeschränkt werden. Die stark verkürzte
Lebensdauer der Glühkathode macht deren häufiges Auswechseln erforderlich, ein Vorgang,
bei dem nach dem Auswechseln die Röntgenröhre erst wieder evakuiert werden muß, ehe
sie erneut einsatzbereit ist. Das ist ein zeitaufwendiger Vorgang, der das Verhältnis
von Benutzungszeit zu Stillstandszeit sehr ungünstig beeinflußt.
[0004] Maßnahmen am Target der Röntgenröhre zur Verbesserung der Auflösung führten weder
zur Vermeidung der aufgezeigten Nachteile an der Kathode noch zu einer wesentlichen
Verbesserung der Intensität der emittierten Röntgenstrahlen, wohl aber zu einem vorzeitigen
Verschleiß der Targetoberfläche. Hier am Target hielt die Fachwelt bisher strikt die
von Heel aufgestellte Regel ein, daß der Targetwinkel (Winkel zwischen der Senkrechten
zur Elektroneneinfallsridn tung und der Targetoberfläche) zwischen 10° und 40
0 liegen solle, weil bei 30
0 bis 33° Targetwinkel ein Maximum der Intensität der Röntgenstrahlungsabstrahlung
liegt. Da hier am Target keine Verbesserungen möglich erschienen, richteten sich die
Versuche zur Verbesserung der Intensität auf die Kathode der Röntgenröhren und endeten
an den aufgezeigten Grenzen.
[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Intensität der Elektronenemission aus einem
Mikrofokus einer Glühkathode bei gleichzeitiger Steigerung deren Lebensdauer erheblich
zu erhöhen und die Intensität der Röntgenstrahlenemission in unerwarteter Weise zu
steigern.
[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Lebensdauer einer Glühkathode
um so höher ist, je stärker der Querschnitt des Glühdrahtes ist und um so niedriger
dessen Temperatur zumindest an der Oberfläche ist, und daß auf dieser Oberfläche eines
relativ dicken Drahtes sich ein Mikrofokus ausbilden läßt, wenn es nur gelingt, einen
Ort der Oberfläche besonderen physikalischen Bedingungen auszusetzen, die an anderen
Teilen der Oberfläche nicht herrschen und die zur Elektronenemission bevorzugt geeignet
sind.
[0007] Die Erfindung besteht darin, daß man einen Glühdraht verwendet, dessen Dimensionen
groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind.
[0008] Auf diese Weise erreicht man, daß trotz der Verwendung eines sehr stabilen Glühdrahtes,
der infolge seiner Querschnittsgröße und seiner Oberflächentemperatur eine lange Lebensdauer
aufweist, ein Mikrofokus geschaffen ist, der sich durch eine besonders hohe Intensität
der Elektronenemission auszeichnet. Durch die Anordnung der Elektronenemissionsstelle
in zwei Feldern, einem elektrischen Feld und einem Temperaturfeld an der Oberfläche
des Glühdrahtes, deren Spitzenwerte an ein und denselben Ort fallen, läßt sich auf
dem Glühdraht ein Fokus intensiver Elektronenemission von sehr kleinen Abmessungen
schaffen, obwohl der Durchmesser des Glühdrahtes viel größer ist.
[0009] Dabei braucht man den winzigen Fleck erhöhter Temperatur nicht einmal durch äußere
Strahlungseinwirkung, z.B. durch Lichteinstrahlung, Infraroteinstrahlung oder mittels
eines Lasers, zu schaffen, dieser Ort erhöhter Temperatur läßt sich viel einfacher,
aber ebenso wirkungsvoll dadurch schaffen, daß man die Glühkathode mit einem Wärmestrahlung
absorbierenden Körper so (teilweise) umgibt, daß von allen Orten der Oberfläche des
Glühdrahtes mehr Strahlung absorbiert wird als von dem Ort er Elektronenaustrittsfläche.
Hierzu bietet sich das Gitter als einfaches, sowieso vorhandenes Bauelement an, wenn
man es nur in geeigneter Weise dimensioniert.
[0010] Durch diese StrahlungsabsorPtion, aber auch mit anderen Maßnahmen der Kühlung läßt
sich erreichen, daß man den Glühdraht so (unterschiedlich stark) kühlt, daß am Ort
der Elektronenaustrittsfläche die höchste Temperatur an der Oberfläche des Glühdrahtes
herrscht.
[0011] Dieses Verfahren läßt sich mit einer Feinfokus-Röntgenröhre realisieren, die sich
dadurch auszeichnet, daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dimensionen
groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind und daß eine Vorrichtung
zur Erzielung einer erhöhten Oberflächentemperatur an derjenigen Stelle vorgesehen
ist, an der das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode seinen höchsten Wert erreicht.
[0012] Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Vorrichtung zur Erzielung einer erhöhten Temperatur
eine Strahlung stark absorbierende Vorrichtung ist, welche die Glühkathode teilweise
umgibt. Denn mit dieser Vorrichtung läßt sich bei geringstem Aufwand eine enorme Steigerung
der Intensität der Elektronenemission erzielen.
[0013] Diese Vorrichtung kann das sowieso in der Röntgenröhre vorhandene Gitter sein, wenn
es nur in besonderer Weise diesem Zweck der Wärmeabsorption angepaßt ist. Eine solche
Feinfokus-Röntgenröhre zeichnet sich dadurch aus, daß das Gitter als ein starkwandiger,
die Glühkathode teilweise umgebender, rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist,
der die Form eines Hohlzylinders mit an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung
aufweist, dessen Außenseite sich trichterförmig erweitert, wobei dieser Trichter einen
Winkel von 100° bis 140
0 einschließt, und daß die Glühkathode mit ihrer am weitesten aus dem Inneren des Gitters
austretenden Stelle in der Achse des Gitters in einer Ebene angeordnet ist, die im
Bereich der Unterkante des trichterförmigen Teiles der Stirnseitenfläche liegt.
[0014] In dieser Röntgenröhre kann die Glühkathode so ausgeführt sein, daß die Glühkathode
aus einem U- oder V-förmig gebogenen Draht besteht. In Zusammenwirken mit dem als
Kühlvorrichtung wirkenden Gitter bildet sich dann in der Spitze der Biegung des Glühdrahtes
ein winziger Fleck aus, der von der Kühlwirkung am wenigsten erfaßt wird und der,
da er gleichzeitig am Ort der höchsten Feldstärke liegt, ein Ort besonders intensiver
Elektronenemission ist. So wird hier völlig unerwartet an einer keineswegs spitzen
Elektrode von bisher ungeeignet erscheinender Form und Größe ein Mikrofokus erzielt,
dessen Wirkungsgrad der Emission die spitzgeformten bekannten Elektroden wesentlich
übertrifft. Die Kühlwirkung gerade der Oberflächenteile der Glühkathode ist die Ursache
für die bedeutende Erhöhung der Lebensdauer der Glühkathode.
[0015] Eine weitere Steigerung der Intensität der Röntgenstrahlung, die weit über das hinausgeht,
was nach der Steigerung der Elektronenemission zu erwarten ist, ist dadurch erreichbar,
daß das Target eine sphärisch gekrümmte Oberfläche aufweist und der Targetwinkel einen
Wert zwischen 0° und 10 hat. Diese Steigerung ist unerwartet, weil bisher die Fachwelt
gemäß der Lehre von Heel andere Targetwinkel benutzte. Hier zeigt das Zusammenwirken
der erfindungsgemäßen Maßnahmen an der Kathode mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen
an der Anode eine Steigerung der Intensität um mehr als eine Größenordnung, ohne daß
ein besonderer Aufwand getrieben wurde und ohne daß eine Einbuße an Lebensdauer entsteht.
[0016] Die besten Ergebnisse wurden mit einer Feinfokus-Röntgenröhre erzielt, die sich dadurch
auszeichnet, daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dimensionen groß
gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind, wobei dieser Draht im
wesentlichen U-förmig gebogen ist, daß das Gitter als ein starkwandiger rotationssymmetrischer,
die Glühkathode umgebender Körper ausgebildet ist, der in Form eines Hohlzylinders
mit an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung ausgebildet ist, dessen Außenseite
sich trichterförmig erweitert, wobei dieser Trichter einen Winkel von 100 bis 140°
einschließt, - dieses Gitter dient einerseits der elektrischen Feldausbildung, andererseits
als ein strahlungsaufnehmender Körper, der an seinen nach außen gerichteten Seiten
wiederum Strahlung abgibt -, und daß die Glühkathode an ihrer am weitesten aus dem
Inneren des Gitters austretenden Stelle in der Achse des Gitters in einer Ebene angeordnet
ist, die im Bereich der Unterkante der trichterförmigen Seitenfläche liegt. Bei dieser
Feinfokus-Röntgenröhre weist das Target eine sphärisch gekrümmte Oberfläche auf und
der Targetwinkel hat einen Wert zwischen 0° und 10°.
[0017] Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 einen Querschnitt durch die Feinfokus-Röntgenröhre,
Fig.2 einen Querschnitt durch die Kathode und die Anordnung des Gitters,
Fig.3 einen Querschnitt durch einen Teil der Röntgenröhre im Bereich des Targets,
Fig.4 einen Teil des Targets,
Fig.5 eine andere Ausbildung des Glühdrahtes,
Fig.6 eine weitere Ausbildung des Glühdrahtes.
[0018] Der Kolben der Röntgenröhre besteht aus zwei Teilen 1,2. Das Teil 1 nimmt die Kathode,
bestehend aus dem Heizfaden 3, der als Emitter für den Elektronenstrom 11 dient, den
Anschlußkontakten 12,13 für den Heizfaden 3 und dem Sockel 14 und das Gitter 4 auf,
welches ebenfalls vom Sockel 14 getragen wird und welches über den Anschlußkontakt
15 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Das als Anode dienende
Teil 2 nimmt in seinem Inneren mit einem Luftspalt 26 versehene Fokussierspulen 5,
Ablenkspulen 6 auf und ist mit dem Targetkopf 7 versehen, der in seinem Inneren das
Target 8 (die Antikathode) und eine Abschirmung 16 aufnimmt, die eine Durchbrechung
für den Austritt der am Target 8 erzeugten Röntgenstrahlen 10 aufweist, die durch
das Austrittsfenster 9 austreten. Der Targetkopf wird durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt,
die durch die Rohre 17 in einen Kühlraum ein- bzw. austritt. Der Kolben der Röntgenröhre
weist einen Vakuumanschluß 18 auf. Die elektrischen Anschlüsse für die Fokussierspule
5 und die Ablenkspulen 6 sind mit 19 bis 22 bezeichnet. Zwischen den beiden Teilen
1 und 2 des Kolbens der Röntgenröhre befindet sich eine Trennwand (Anode) 24, welche
mit einer Durchlaßöffnung 25 für den Elektronenstrom 11 versehen ist.
[0019] In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung der Aufbau von Kathode und Gitter dargestellt.
Über die Anschlußkontakte 12,13, die in Klemmvorrichtungen 27,28 für den U-förmig
gebogenen Heizfaden (Emitter) 3 enden, wird dem Heizfaden 3 Spannung zugeführt, die
diesen Heizfaden zum Glühen bringt. Die beiden Klemmvorrichtungen 27,28 sind dabei
in einer Halterung 29 untergebracht, die mittels des Isolierringes 30 auch das Gitter
4 trägt. Dieses Gitter 4 ist als ein starkwandiger Hohlzylinder ausgebildet, der an
seiner einen, den Heizfaden 3 umschließenden Stirnseite einen nach innen gerichteten
Vorsprung 34 aufweist, der an seiner Außenseite in Form eines Trichters 31 ausgebildet
ist, der einen Öffnungswinkel ß von 100° bis 140°, vorzugsweise 120°, aufweist. Dieser
Trichter 31 geht auf seiner Innenseite in eine zylindrische Oberfläche 32 über, die
abgerundete Kante 33, über. Im Bereich dieser abgerundeten Kante 33 befindet sich
die Ebene 35, in welcher sich de*-nige Oberflächenteil des Heizdrahtes 3 befindet,
der Elektronen emittiert. Durch die besondere geometrische Ausbildung des Gitters
wird einerseits ein elektrisches Feld erzeugt, welches seinen Spitzenwert in der Achse
36 dort hat, wo die Achse 36 die dem Target zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes
3 durchbricht. Andererseits ist durch die besondere geometrische Gestaltung des Gitters
4 erreicht, daß von allen Oberflächenteilen des Heizfadens 3 mehr Strahlung an das
Gitter abgegeben wird als von demjenigen Ort des Heizfadens, an dem die geometrische
Achse die dem Target zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes 3 durchbricht. Hierdurch
wird die Oberfläche des Heizdrahtes überall gekühlt, jedoch ist die Kühlung am geringsten
an demjenigen Ort, an dem die geometrische Achse 36 die dem Target 8 zugewandte Oberfläche
des Heizdrahtes durchbricht. Als Durchmesser D des Heizdrahtes wird ein solcher von
mehr als 0,17 mm gewählt, der Innendurchmesser Ri ist größer als 0,1 D gewählt. Diese
Abmessungen sind erheblich größer als die Abmessungen, die bisher für Feinfokus-Röntgenröhren
verwendet werden. Der Innendurchmesser Ri und der Außendurchmesser Ra können aber
auch noch erheblich größere Werte aufweisen. - In manchen Fällen ist es zweckmäßig,
das massiv wie ein Klotz ausgebildete ringförmige Gitter 4 noch mit einer zusätzlichen
Schürze 37 zu versehen, um die nach außen erfolgende Abstahlung von Wärme zu vergrößern.
Diese Schürze 37 wird zweckmäßigerweise einstückig mit dem Gitter 4 hergestellt und
stellt im wesentlichen einen massiven Hohlzyinder dar.
[0020] Man kann anstelle des Heizddrahtes 3 auch andere Formen für den Emitter verwenden,
z.B. Emitter in den Formen, wie sie in Fig. 5 und 6 dargestellt sind. Diese aus massivem
Material hergestellten Emitter werden ebenfalls bis zum Glühen durch durchfließenden
Strom erhitzt.
[0021] In Fig. 3 ist das Detail 1 aus Fig. 1 dargestellt, nämlich ein Teil des Targetkopfes
7 und das Target 8 im Querschnitt. Das Target 8 ist als ein massiver Klotz ausgeführt,
der eine zylindrische oder sphärische Oberfläche auf der dem Elektronenstrom 11 zugekehrten
Seite aufweist.
[0022] Die Innenseite des Targetkopfes 7 ist mit einer Auskleidung 16 aus Blei versehen.
Der Targetkopf 7 weist eine seitliche Durchbrechung auf, die durch das Strahlenaustrittsfenster
9 für die austretenden Röntgenstrahlen 10 verschlossen ist. Die am Target 8 eingestellten
Werte sind anhand der Fig. 4 (Detail IV) näher erläutert: Parallel zur Röhrenachse
36 verläuft die Elektronenstrahlachse E des Elektronenstrahles mit dem Elektronenstrahldurchmesser
De. Der Auftreffpunkt der Elektronenstrahlachse E und der Targetkrümmungsradius R
wird so gewählt, daß sich ein Targetwinkel a von maximal 10° ergibt. Da mit den erfindungsgemäßen
Maßnahmen an der Kathode bereits ein sehr dünn gebündelter Elektronenstrahl auf das
Target 8 fällt, ergibt sich eine sehr geringe Breite BFo des optischen Brennflecks.
Bei einer Wahl des Targetwinkels von maximal 10° wird eine sehr hohe Intensität der
Röntgenstrahlung erreicht, deren Ursache noch nicht wissenschaftlich geklärt werden
konnte. Es wird angenommen, daß hier ähnliche Verhältnisse auftreten, wie sie bei
der Totalreflexion in der Optik auftreten.
[0023] Die Glühkathode braucht nicht unbedingt aus einem stromdurchflossenen Draht zu bestehen,
sie kann auch indirekt beheizt werden, z.B. induktiv beheizt werden. Auch in diesem
Falle ist es wichtig, daß die Dimensionen der Glühkathode, die durchaus die Form einer
Nadel oder eines Nagels haben kann, groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche
sind und daß man an der Glühkathode einen Punkt mit einer gegenüber den anderen Oberflächenteilen
erhöhten Oberflächentemperatur an der Stelle hat, an der das elektrische Feld zwischen
Anode und Kathode seinen höchsten Wert erreicht. Es gibt aber auch Möglichkeiten,
die Kathode sowohl direkt durch einen hindurchfließenden Strom als auch zusätzlich
indirekt zu beheizen.
1. Feiniokus-Röntgenröhre, in deren evakuiertem Kolben eine von einem Gitter umgebene
Glühkathode und eine mit Target, elektromagnetischen Elektronenstrahlbündelungs-und
-ablenkungsvorrichtungen und einer Eintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dimensionen groß gegenüber den
Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind
und daß eine Vorrichtung zur Erzielung einer erhöhten Oberflächentemperatur an derjenigen
Stelle vorgesehen ist, an der das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode seinen
höchsten Wert erreicht.
2. Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Erzielung einer erhöhten Temperatur eine Strahlung stark absorbierende
Vorrichtung ist, welche die Glühkathode teilweise umgibt.
3. Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gitter als ein starkwandiger, die Glühkathode teilweise umgebender, rotationssymmetrischer
Körper ausgebildet ist, der die Form eines Hohlzylinders mit an der Stirnseite nach
innen gerichtetem Vorsprung aufweist, dessen Außenseite sich trichterförmig erweitert,
wobei dieser Trichter einen Winkel von 100° bis 1400 einschließt, und daß die Glühkathode
mit ihrer am weitesten aus dem Inneren des Gitters austretenden Stelle in der Achse
des Gitters in einer Ebene angeordnet ist, die im Bereich der Unterkante des trichterförmigen
Teiles der Stirnseitenfläche liegt.
4.Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glühkathode aus einem U- oder V-förmig gebogenen Draht besteht.
5.Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Target eine sphärisch gekrümmte Oberfläche aufweist und der Targetwinkel einen
Wert zwischen 0° und 10° hat.
6.Verfahren zur Bildung eines Mikrofokus der Elektronenemission einer Röntgenröhren-Glühkathode,
dadurch gekennzeichnet,
daß man einen Glühdraht verwendet, dessen Dimensionen groß gegenüber den Dimensionen
der Elektronenaustrittsfläche sind,
daß man auf dem Glühdraht am Ort der Elektronenaustrittsfläche einen Ort erhöhter
Temperatur schafft und daß man das elektrische Feld so gestaltet, daß es an diesem
Ort erhöhter Temperatur seinen Spitzenwert erreicht.
7.Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Ort erhöhter Temperatur dadurch schafft, daß man die Glühkathode mit einem
Wärmestrahlung absorbierenden Körper so (teilweise) umgibt, daß von allen Orten der
Oberfläche des Glühdrahtes mehr Strahlung absorbiert wird als von dem Ort der Elektronenaustrittsfläche.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Glühdraht so (unterschiedlich stark) kühlt, daß am Ort der Eiektronenaustrittsfläche
die höchste Temperatur an der Oberfläche des Glühdrahtes herrscht.