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Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen Die Erzeugung von Röntgenstrahlen
durch Spannungsimpulse hat den Vorteil, daß zwischen Anode und Kathode der Röntgenröhre
eine höhere Spannung zulässig ist als bei Verwendung von Gleich- oder Wechselspannung,
Außerdem kann der Momentanwert der Stromstärke bedeutend höher sein. Es ist infolgedessen
möglich, kurzzeitige b el Blitze harter Röntgenstrahlen besonders hoher Intensität
zu erzeugen.
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Die ältesten Vorrichtungen, mittels deren Röntgenstrahlen erzeugt
wurden, arbeiteten mit einer Induktivität. Die Anode und Kathode der Röhre waren
mit den Enden der Spule verbunden, und eine Meine Anzahl von Windungen der Spule
oder eine mit der Spule gekoppelte Wicklu-ng wurde von einem Gleichstrom durchflossen,
der absatzweise unterbrochen wurde. Die dabei an derRöntgenröhre auftretende Spannung
verläuft nach Art einer gedämpften Schwingung- so daß außer dem Spannungsschei#el
zur Erzeugung der Röntgenstrahlen hohe Spannungen mit entgegengesetzter Polarität
auftreten können, die den Höchstwert der zulässigen Nutzspannung beschränken. Die
Sekundärspannting kann außerdem verhältnismäßig viele unregelmäßige Schwankungen
aufweisen, wodurch die Strahlenemission unreproduzierbar wird.
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Bei einer anderen Ausführung werden Spannungsimpulst einem Kondensator
entnommen, der sich absatzweise über die Röntgenröhre entlädt. Dies verlangt einen
gesonderten Hochspannungsgenerator zur Lieferung der Ladespannung des Kondensators.
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Die erforderlichen Spannungsimpulse können auch unter Zuhilfenahme
eines sog. Stoßspannungsgenerators erzeugt werden. Eine solche Anlage ist verwickelt
und infolgedessen kostspielig Die Erfindun- bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Erzeugung g von Röntgenstrahlen durch Spannungsimpulse,
die baulich
sehr einfach ist und eine gute Reproduzierbarkeit der Strahlenemission aufweist.
Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Regelung des Elektronenstroms bei einer
Röntgenröhre heutzutage keine Schwierigkeiten mehr bereitet. Gemäß der Erfindung
enthält die Vorriehtung eine mit einer Regelelektrode und mindestens einer Schirmelektrode
versehene Röntgenröhre, die in Reihe mit einer Induktivität mit -einer eine als
Anodenspannung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen zu niedrige Spannung liefernden
Gleichstromquelle verbunden ist, an die auch -die Schirmelektrode angeschlossen
ist, bei der Einzelmittel vorhanden sind, durch die absatzweise die Regelelektrode
abwechselnd auf ein Potential, bei dem der Strom durch die Röntgenröhre unterbrochen
wird, jedoch nicht länger als erforderlich ist, um die infolgedessen entstehende
zusätzliche Spannung an der Röhre auf einen Wert zu erhöh-en, bei dem Röntgenstrahlen
von der erforderlichen Wellenlänge ausgesandt werden, und auf ein höheres Potential
gebracht wird, bei dem der Strom durch die Röhre durchgelassen wird.
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Die von der Indtiktivität aufgenommene Gesamtenergie in clem Augenblick,
in dem der Anodenstrom in der Röntgenröbre unterdrückt wird, muß vorzugsweise in
ein-er einzigen Entladung in der Röntgenröhre verbraucht werden. In diesem Fall
wird das Auftreten einer Gegenspannung vermieden. Zu diesem Zweck kann der Wert
der der Regelelektrode zugeführten negativen Spannung gemäß einem weiter unten anzudeutenden
Verlauf abnehmen.
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Die hohe Spannung entsteht in der Induktivität infolge der Unterbrechung
des die Spule durchfließenden Gleichstroms. Es ist bekannt, für die Steuerung dieses
Stroms zur Erzeugung hoher Impulsspannung eine elektrische Entladungsröhre mit einem
Regelgitter zu verwenden, dem absatzweise eine negative Spannung zugeführt wird,
und die erzeugte Impulsspannung zum Speisen einer parallel zur Spule liegenden Röntgenröhre
zu verwenden. Auch wurde bereits vorgeschlagen, bei einer Schaltung mit Induktivität
zum Liefern; der Spannungsimpulse eine Triode zum Steuern des Speisestroms als Röntgenröhre
zu benutzen und die negative Gitterspannung der Anodenspeisespannung durch Anwendung
von. Rückkopplung zwischen Anodenkreis und Gitterkreis zu entnehmen, wobei während
des Auftretens der Impulsspannung Emission von Röntgenstrahlen dadurch bewerkstelligt
wird, daß trotz -der negativen Spannung das Regelgitter Elektronen durchläßt. Wird
berücksichtigt, daß die wirksame Röntgenstrahlenemission erst auftritt, wenn sich
die Impulsspannung ihrem Höchstwert nähert, und wird eine solche Einstellung der
Durchlässigl<:eit desRegelgitters verwendet, daß nur im Bereich der höchsten
Spannung Elektronen durchgelassen werden, so wird dieStrahlenemission wieder in
einem solchen Augenblick unterbrochen werden, daß nur noch ein Teil der Energie
in der Induktivität abgeführt worden ist, so daß bei dieser Schaltung einehohe Spannung
in entgegengesetzter Richtung auftreten wird. DieserN achteil wohnt der Vorrichtung
nach der Erfindung nicht inne.
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Die. Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
in der Fig, i das Schaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung und Fig. 2 die praktische
Ausbildung einer solchen Vorrichtung darstellt.
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In Fig. i wird die Spannung Vb einer Gleichstromquelle, die von der
Größenordnung von o,5 bis 2o kV sein kann, der Anode i der elektrischen Entladungsröhre
2 über die Induktivität 3 zugeführt. Letztere hat eine Selbstindtiktion L
und außerdem eine gewisse geringe, vom Kondensator 4 dargestellte Kapazität
C, die auch die Röhrenkapazität und etwaige zusätzliche Kapazitäten mit umfaßt,
Die Kathode 5. der Entladungsröhr-, 2 ist über den Glättungskondensator
6 mit dem Zuführungsdräht für die Speisespannung verbunden. Zwischen Kathode
5 und Regelelektrode 7 der Entladungsröhre 2 wird die Spannung Vg
angelegt. Die Quelle dieser Spannung ist nicht l# dargestellt, ki# sie braucht jedoch
nicht von an, sich bekannten Vorrichtungen, die eine schnelle Spannungsveränderung
hervorrufen können, abweichen. Im vorliegenden Fall muß der Regelelektrode absatzweise
eine negative Spannung zugeführt werden, wobei der in der Röntgenröhre infolge des
Anlegens der Speisespannung auftretende Strom unterbrochen wird.
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In der Zeit, in der die Entladungsröhre 2 offen ist, kann Strom fließen.
Wird die Leitfähigkeit der Röhre- im Zeitpunkt t. plötzlich unterbrochen, so kann
sie nicht mehr vorn Strom durchflossen werden. Der Strom kann auch nicht plötzlich
Null werden, da der Anodenkreis der Röhre die Induktivität ent-,hält. Der Strom
wird also den Kondensator 4 aufladen. Wird der Speisestrom mit i bezeichnet, so
wird die im Augenblick der Unterbrechung in der Spule vorhandene magnetische Energie
in der Größe von
in elektrische Energie
umgewandelt. Der Wert der Spannung V ist
maximal, wenn der Strom i Null geworden
ist, wobei
ist. Bei passender Wahl der Kreiskonstanten, Selbstinduktion und Kapazität kann
diese Spannung einen besonders hohen Wert erreichen. Wird der Widerstand der Spule
vernachlässigt, so ist, wenn i = i Amp., L = 2, Henry
und C = 5o yyF, die Maximalspannung V.,., = 2oo k:V.
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An der elektrischen Entladungsröhre :2 tritt diese Spannung zunächst
als positiv,-, Anodenspannung auf, und infolgedessen kann die Entladungsrähre gleichzeitig
als Röntgenröhre wirksam sein.
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Der Augenblick, in dem der einee Strahlenemission herbeiführende Entladestrom
zu fließen
anfän 'gt, ist durch die Zeitdauer bedingt, während deren,
nachdem die Regelelektrode negativ geworden ist, die diesem Zweck dienende Spannung
ausgewirkt hat. Dies muß sein, wenn sich die Anodenspannung ihrem Maximalwert nähert.
Wird t, als der Augenblick angenommen, in dem die Anodenspannung nach der Unterbrechung
des Stroms im Zeitpunkt t, maximal geworden ist, so dauert die hohe Spannung an
der Röhre, bei der Strahlenemission stattfindet, länger, -wenn der Moment des Sichöffnens
der Röhre vor t. liegt, als wenner mit ti zusammenfällt oder später als
t. ist. Im ersten Fall fließt in diesem Zeitpunkt noch der Ladestrom zum
Kondensator 4, im letzteren Fall ist der Kondensator wieder dabei, sieh über die
Induktivität zu entladen. Form und Höhe des Spannungsimpulses sind somit von dein
Augenblick abhängig, in dem die Röhre 2 Strom durchzulassen beginnt. Eine vorteilhafte
Wirkung ergibt sich, t# t' wenn die Unterbrechungszeit des Stroms von der Größenordnung
von ein Achtel bis ein Viertel einer Schwingungsperiode des LC-Kreises ist.
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Es könnenMittelverwendetwerden, durchwelche die Zeit, während
deren eine hohe Anodenspannulig vorhanden ist, in die Länge gezogen wird, z. B.
indem die Röhre langsam geöffnet wird. Anstatt ,einer rechteckigen Spannungsform
wird in diesem Fall eine vom höchsten Negativwert langsam abnehmendeSpannung an
dieRegelclektrode angelegt.
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Indem in der Röntgenröhre eine Schirmelektrode 8 angebracht
wird, kann die Regelspannung verhältnismäßig gering sein, wobei außerdem die Regelung
praktisch unabhängig von der auftretenden Anodenspannung ist. Die Schirmelektrode
8 wird z. B. über einen Widerstand 9 an die Speisespannung gelegt.
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Nach der Unterbrechung des Speisestroms würde an der Induktivität
eine schwingende Spannung auftreten, wenn der Verlauf der Spannung an der Regelelektrode
nicht derart wäre, daß die Energie in der Drosselspule durch die Röhre abgeführt
wird. Der Verlauf der Spannung' an der Regelelektrode muß vorzugsweise derart sein,
daß diese Energie in dem Augenblick abgeführt ist, in dem die Anodenspannung ausgewirkt
hat. In diesem Fall tritt keine Gegenspannung an der Röhre auf, und der Vorteil
der größeren Belastbarkeit mit Spantiungsimpulsen wird völlig ausgenutzt.
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Die Entladedauer des Kondensators 4 ist von der Größenordnung von
CVII, wobei I den Entladestrom Z>
bezeichnet. Letzterer kann mit Rücksicht
auf die Emissionsleistung der Kathode den gleichen Wert wie der Speisestrom i haben,
der bei der Speisespannung Vb auftritt. Zwischen zwei Entladungen muß der Strom
von Null bis i zunehmen. Bei Vernachlässigung der Spannung über die Röhre
wird zn
wobei nach der Strom
von Null bis i zugenommen hat, Die nachfolgende Berechnung ergibt, daß auf diese
Weise eine angemessene Leistung in Röntgenstrahlen umgewandelt weerden kann. Wird
angenommen, daß die Leistung 3 kW bei 300 kV Impulsspannung ist, so
muß bei it Impulsen in der Sekunde
sein. Wird angenommen, daß C = 50 lÄyF ist, so folgert für 11
= 1333 Hz.
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Wird der Röhrenstrom i = i Amp. genommen, so f olgt
aus
daß L = 4,5 HenrY ist. Damit der Strom während i/it sec von o bis i Amp. zunehmen
kann, folgt aus itLi = Vb, daß Vb = 6ooo V ist.
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Hierbei wird ein Fehler gemacht, da die Zeit t während deren die Zunahme
des Stroms stattfindet gleich folgenden der Impulsen Zeitdauer angenommen zwischen
zwei wird. aufeinander- Die Dauer des Impulses (i/it sec) ist vernachlässigbar klein
gegenüber der Zeit t, so daß mit dieser Vereinfachung praktisch kein Unterschied
im Ergebnis entsteht.
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In Fig. ?, ist angegeben, daß die Außenwand io der Röntgenröhre nahezu
ganz aus Metall hergestellt ist. An den Metallteil schließt sich ein Glaswandteil
ii an, der mit einer Einstülpung versehen ist. In der Einstülpung befindet sich
der Glasfuß 12, an dem die Kathode 13 befestigt ist. Außerdem ist auf ihm die Regelelcktrode
14 angeordnet, welche die Form eines Zylinderrohres hat, das an einem Ende mit einer
Blende iS miteiner Öffnung 16 zum Hindurchlassen des Elektronenbündels versehen
ist.
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An der Einstülpung ist eine Zylinderelektrode 17 durchAnschmelzen
befestigt, und an deren anderem Ende ist eine mit einer Öffnung versehene Platte
18 angebracht, an der ein Zylinderrohr ig befestigt ist, das sich in Richtung der
Kathode erstreckt. Diese Elektrode ist als Schirmzylinder zwischen Anode und Kathode
wirksam und soll die Empfindlichkeit der Kathodenemi3sion für Anodenspannungsänderungen
verringern.
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Die Stromzuführung zur Kathode übernehmen zwei Zuführungsdrähte 2o
und 21, die in den Fuß 1:2 eingeschmolzen sind. In letzterem ist ein dritter Draht
22 angeordnet, durch den der Regelelektrode 14 Spannung zugeführt wird. Die Verbindung
mit dem Schirnizylinder 17 wird vom Zuführungsdraht 23 -vermittelt.
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Die Anode24 der Röhre ist, wie üblich, mit einer Schirnikappe
25 zum Zurückhalten der Sekundäremission ausgebildet. Sie hat eine abgeschrägte
Vorderfläche, in der die Anodenscheibe 26 angeordnet ist, auf die das Elektronenbündel
konzentriert wird. Die Schirmkappc 25 hat eine Öffnun- 27
zum Hindurchlassen
des Bündels und eine Austrittsöffnung 28 für die Röntgenstrahlen, die durch eine
Scheibe .29 aus einem für Röntgenstrahlen leicht durchlässigen Metall, gewöhnlich
Beryllitim, verschlossen ist.
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Die Anode 24 ist an einem abgesetzten Teil 3o der Röhrenwand valzuumdicht
befestigt. Dieser Wandteil umschließt einen Zylinderraum, der Platz bietet zum Unterbringen
der Induktivität der Schaltung nach Fig. i. Diese Spule ist aus einer Anzahl von
Teilen 31 zusammengebaut, die je für sich einzeln hergestellt und mit einer
Schicht aus Isolierniaterial umgeben sind, Diese Teilt sind in
Reihe
gelegt, wobei das eine Ende der Induktivität mit der Anode und das andere Ende mit
der äußeren Metallwand der Röhre leitend verbunden ist. Der zwischen der Anode und
dem Röhrenende liegende Wandteil muß in hinreichendem Maße isolierend sein, um
die in der Spule auftretende Spannung auszuhalten, also ganz oder teilweise
aus Isoliermaterial, z. B. Glas oder Porzellan, hergestellt sein. Er kann durch
Metallringe 32 unterteilt sein, die mit je einem Einzelspulenteil
verbunden sind, so daß sich infolge der in der Induktivität auftretenden Spannung
eine- zwangsweise Spannungsverteilung über den abgesetzten Teil der Röhrenwand ergibt.
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Im Innern der Spule ist ein aus Isoliermaterial bestehendes Rohr
33 zum Zuführen einer Kühlflüssigkeit zur Anode angeordnet. Diese, Flüssigkeit
gelangt durch in der Anode ausgesparte Kanäle 34 in die Spulenkammer und ist außerdem
zur Ab-
leitung der in den Spulen entwickelten Wärme verwendbar. Die Flüssigkeit
muß gut isolierend sein, so daß vorzugsweise Öl verwendet werden wird.
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Beim Arbeiten mit der Vorrichtung, wobei die hohe Spannung zwischen
den Enden der Induktivität erzeugt wird, kann die Außenwand der Röhre geerdet sein,
so daß Teile, die unter hoher Spannung stehen, ganz abgeschirmt sind. Eine Sonderhülle
mit Öl oder komprimiertem: Gas erübrigt sich infolgedessen. Zwischen der
Röhrenwand und, der Kathode wird die Speisequelle angeschlossen, die nur eine verhältnismäßig
niedrige Spannung liefert, z. B. 6ooo V.
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Auf der von der Kathode abgewendeten Seite ist ein Deckel
35 zum Verschluß der Spulenkammer angebracht, an dem Mittel 36 und
37 befestigt sind, durch welche die Verbindung zum Zu- und Ab-
führen
der Kühlflüssigkeit bewerkstelligt wird.