DE3222511C2

DE3222511C2 - Feinfokus-Röntgenröhre

Info

Publication number: DE3222511C2
Application number: DE3222511A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 3050 Wunstorf Reinhold
Original assignee: Feinfocus Roentgensysteme 3050 Wunstorf De GmbH; Feinfocus Roentgensysteme 3050 Wunstorf GmbH
Current assignee: Feinfocus Verwaltungs & Co Kg 3050 Wunstorf GmbH
Priority date: 1982-06-16
Filing date: 1982-06-16
Publication date: 1985-08-29
Also published as: EP0096824A1; JPH0618119B2; EP0096824B1; ATE29088T1; JPS598251A; DE3222511A1; US4573186A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feinfokus-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 sowie ein Verfahren zur Bildung eines Mikrofokus der Elektronen emission einer Röntgenröhren-Glühkathode. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Intensität der Elektronenemission aus einem Mikrofokus einer Glühkathode bei gleichzeitiger Stei gerung deren Lebensdauer erheblich zu erhöhen und die Intensität der Röntgenstrahlenemission in unerwarteter Weise zu steigern. Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, 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.

Description

2. Feinfokus-Röntgenröhre

— bei der das Gitter (4) als ein die Glühkathode (3) teilweise umgebender, rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist,

— der die Form eines Hohlzylinders mit an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung (34) aufweist, nach AnsprurN 1 dadurch gekennzeichnet,

— daß das Gitter (4) starkwandig ausgebildet ist

— daß sich die Außenseite des Vorsprungs (34) trichterförmig erweitert

— wobei dieser Trichter (31) einen öffnungswinkel von 100° bis 140° einschließt

— daß die Glühkathode (3) mit ihrer am weitesten aus dem Innern des Gitters (4) austretenden Stelle in der Achse (36) des Gitters (4) in einer Ebene (35) angeordnet ist, die im Bereich der Unterkante (33) des Trichters (31) liegt.

3. Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder dadurch gekennzeichnet, daß

— das elektrische Feld zwischen Gitter (4) und Glühkathode (3) so ausgebildet ist, daß es am Ort der Elektronenaustrittsfläche seinen Maximalwert erreicht und

— daß die Kühlung des Glühdrahtes so ausgebildet wird, daß am Ort der Elektronenaustrittsfläche die höchste Temperatur herrscht.

Die Erfindung betrifft eine Feinfokus-Röntgenröhre gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2. Derartige Feinfokus-Röntgenröhren sind z. B. aus der GBPS 10 09 702 bereits bekannt.

Röntgenröhren mit einem evakuierten Kolben in dem sich eine Glühkathode in Form eines U- oder V-förmig gebogenen Glühdrahtes, ein die Glühkathode teilweise umeebendes Gitter, das den Ort der Elektronenaustrittsfiäche freiläßt, und ein Target, elektromagnetischen Elektronenstrahlbündelungs- und -ablenkungsvorrichtungen und eine mit einer Eintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht sind, sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt.

In dem Bestreben, das Auflösungsvermögen bei Röntgengeräten zu steigern, um immer kleinere Details in Röntgenaufnahmen zu erkennen, z. B. feinste Haarrisse in Turbinenschaufel, wurden Röntgenröhven entwickelt, deren Glühkathoden aus immer feineren Drähten hergestellt wurden und die wie spitze Nadeln geformt wurden, um die Elektronenaustrittsfiäche — an der Nadelspitze — möglichst klein zu gestalten. Nur so glaubte man bisher der Regel aus der Optik, — je klei-

;ier und punktförmiger die Lichtquelle, umso höher das Auflösungsvermögen —, entsprechen zu können und scharfe Röntgenbildaufnahmen erzielen zu können.

Es gelingt auch, auf diesem Wege das Auflösungsvermögen eines Röntgengerätes erheblich zu steigern, doch nur um den Preis einer geringeren Elektronenemission und am 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.

Eine andere Möglichkeit, das Auflösungsvermögen eines Röntgenapparates zu steigern, besteht in der Ausgestaltung der Elektronenoptik zwischen der Kathode und dem Target. Das setzt z. B. bei der Feinfokuskathode nach Steigerwald (Optik, 1958, Seite 243) an der Kathode ein. Die Feinfokuskathode besteht aus einer kegelförmigen Elektrode und einer auf gleichem Potential liegenden, weitab angeordneten großen Steuerelektrode, die mit der kegelförmigen Elektrode verbunden ist. In deren öffnung befindet sich an der Spitze als Kathode ein haarnadelförmig gebogener Wolfram-Draht. Die Äquipotentiallinien, die durch die hohlzylindrische, mit einem nach innen gerichteten Vorsprung versehenen Steuerelektrode hindurchgreifen, werden so umgelenkt, daß sie auf die mit geringer Geschwindigkeit aus der Kegelöffnung austretenden Elektronen eine zerstreuende Wirkung ausüben. Im Bereich der großen Blende wirken die Potentiallinien dagegen stark fokussierend. Durch die weitere Elektronenoptik wird dann erreicht, daß die Elektronen sich in größerer Entfernung zu einem engsten Querschnitt vereinigen. Diese Elektronenoptik ist der GB-PS 10 09 702, aber auch der DE-PS 9 22 365 zu entnehmen.

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. 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.

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 Rör.tgenstrahlenemission in unerwarteter Weise zu steigern.

Diese Aufgabe wird bei einer Röntgenröhre nach dem Oberbegriff aes Anspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst. Eine weitere Lösung dieser Aufgabe wird im Anspruch 2 beansprucht

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Lebensdauer einer Glühkathode umso höher ist. je stärker der Querschnitt des Glühdrahtes ist und umso 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.

Die Erfindung erreicht, 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.

Dabei erzieh man den winzigen Fleck erhöhter Temperatur nicht durch äußere Strahlungseinwirkung, z. B. durch Lichteinstrahlung. Infraroteinstrahlung oder mittels eines Lasers, dieser Ort erhöhter Temperatur wird viel einfacher, aber ebenso wirkungsvoll dadurch geschaffen, daß man die Glühkathode mit einem Wärmestrahlung absorbierenden Körper so (teilweist-) umgibt, daß von allen Orten der Oberfläche des Glühdrahtes mehr Strahlung absorbiert wird als von dem Ort der Elektronsnaustiittsfliche. Hierzu bietet sich das Gitter als einfaches, sowieso vorhandenes Bauelement an, wenn man es nur in geeigneter Weise dimensioniert. Wie das in einer besonders günstigen Ausbildungsform erfolgen kann, ist in Anspruch 2 angegeben.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform ist in Anspruch 3 gekennzeichnet. Ist in dieser Röntgenröhre die Glühkathode so ausgeführt, daß die Glühkathode aus einem U- oder V-förmig gebogenen Draht besteht, so bildet sich im Zusammenwirken mit dem als Kühlvorrichtung wirkenden Gitter dann in der Spitze der Bie· gung 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.

Das Wesen der Erfindung iit nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieies näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die Feinfokus-Röntgenröhre,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Kathode und die Anordnung des Gitters,

F i g. 3 eine andere Ausbildung der Glühkathode,
F i g. 4 eine weitere Ausbildung der Glühkathode.
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 (.'■.; Antikathode) und eine Abschirmung ίό 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 einem 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 12 versehen ist.
In F i g. 2 ist in vergrößerter Darstellung der Aufbau von Kathode und Gitter dargestellt. Über die Anschlußkontaktc 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, ilen 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 i? 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 derjenige Oberflächenteil des Heizfadens 3 befindet, der Elektronen en.'.ttiert. Durch die besondere geometrische Ausbildung des Gitters wird einerseits ein elektrisches Feld erzeugt, welches sci.'.en Spitzenwert in der Achse 3C 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 aaß von allen Oberflächenteilen des Heizfadens 3 mehr Strahlung an das Gitter abgegeben wird als von demjenigen Ort des Heizfadens, an di/m die geometrische Achse 36 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 Faller, ist es zweckmäßig, daß massiv wie ein Klotz ausgebildete ringförmige Gitter 4 noch mit einer zusätzlichen Schürze 37 zu versehen, um die nach außen erfolgende Abstrahlung von Wärme zu vergrö-Bern. Diese Schürze 37 wird zweckmäßigerweise einstückig mit dem Gitter 4 hergestellt und stellt im wesentlichen einen massiven Hohlzylinder dar.

Man kann anstelle des Heizdrahtes 3 auch andere Formen für den Emitter verwenden, /,. B. Emitter in den Formen, wie sie in F i g. 3 und 4 dargestellt sind. Diese aus massivem Material hergestellten Emitter werden phpnfnlk his 711m Glühen durch durchfließenden Strom erhitzt.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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50

55

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b5

Claims

Patentansprüche:

1. Feinfokus-Röntgenröhre

— mit einem evakuierten Kolben (1,2)

— in dem sich eine Glühkathode (3) in Form eines U- oder V-förmig gebogenen Glühdrahtes,

— ein die Glühkathode (3) teilweise umgebendes Gitter (4), das den Ort der Elektronenaustrittsfläche freiläßt,

— und ein Target (8), elektromagnetischen Elektronenstrahlbündelungs- und -ablenkungsvorrichtungen (5, 6) und eine mit einer Eintrittsblende (24) ausgestattete Anode untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Dimensionen des Glühdrahts (3) groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind

— daß das Gitter (4) als ein Wärmestrahlung absorbierender Körper ausgebildet ist, der den Glühdraht (3) nur teilweise umgibt, so daß von allen Orten der Oberfläche des Glühdrahts mehr Wärmestrahlung absorbiert wird als vom Ort der Elektronenaustrittsfiäche.