DE581356C - Vakuumentladungsgefaess zur Erzeugung sehr harter Roentgenstrahlen oder sehr schnell bewegter Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumentladegefäß zur Erzeugung sehr harter Röntgenstrahlen oder sehr schnell bewegter Elektronen ohne Verwendung einer ihrer Härte bzw. Geschwindigkeit entsprechenden hohen Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden.

Dieses Ziel, unter Verwendung verhältnismäßig geringer Betriebsspannungen Strahlungen besonderer Härte bzw. besonders hoher Frequenz zu erzeugen, wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Entladungsgefäß seitlich von der die Primärelektronen liefernden Hauptkathode und seitlich von der' ihr zugeordneten, beim Aufprall der Primärelektronen Röntgenstrahlen erzeugenden Hauptantikathode zusätzliche Kathoden und Antikathoden aufweist, und daß diese Hilfselektroden derart ausgebildet und mit Bezug aufeinander und die Hauptelektroden angeordnet sind, daß die Röntgenstrahlen, die die Primärelektronen auf der Hauptantikathode erzeugen, auf die eine zusätzliche Kathode geworfen werden, wo sie Elektronen mit einer entsprechend der Härte der Röntgenstrahlung hohen Anfangsgeschwindigkeit erzeugen. Diese sekundär erzeugten Elektronen werden nun ihrerseits wieder beschleunigt durch die zwischen der Hilfskathode und der ihr zugeordneten Hilfsantikathode herrschende Spannungsdifferenz. Sie treffen daher mit höherer Endgeschwindigkeit auf die Anti- ■ kathode wie die von der primären Elektronenquelle ausgesandten Elektronen und erzeugen hier daher eine Röntgenstrahlung, die die primären Röntgenstrahlen an Härte übertrifft. Dieser Vorgang kann gemäß der Erfindung wiederholt werden, so daß Elektronen bzw. Röntgenstrahlen je nach der Zahl der zusätzlichen Hilfskathoden und Antikathoden nach mehrfacher Umwandlung in Röntgenstrahlen wachsender Geschwindigkeit bzw. ' ■ Härte die Röhre verlassen.

Für die Ausführung der Erfindung werden vorzugsweise becherförmige, in nächster Nähe der Hauptkathode angeordnete Elektroden verwendet. Derartige becherförmig eine Kathode umschließende Vorrichtungen sind bekannt zu dem Zwecke, von der Kathode ausgehende Elektronen brennpunktartig auf der Antikathode zu konzentrieren. Im vorliegenden Fall hat die becherförmige Hilfskathode den Zweck, die von der voran-

gehenden Antikathode kommenden Röntgenstrahlen aufzufangen und die Sekundärelektronen zu einer anderen folgenden Antikathode gelangen zu lassen. Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

Abb. ι einen Schnitt durch eine Röntgenstrahlenröhre gemäß der Erfindung erkennen läßt.

ίο Abb. 2 ist ein Schnitt durch eine Kathodenstrahlenröhre, die das gleiche Prinzip der Erfindung verkörpert.

Die in Abb. ι dargestellte Einrichtung besteht aus einer Glashülle i, die eine Glühkathode 2 und eine Antikathode 3 enthält. Das Kathodenende 4 der Röhre besitzt einen einspringenden Glashals 5, der in einen Quetschfuß 6 ausmündet, durch welchen die Zuführungsleiter 7 für die Kathode eingeao führt werden. Die Kathode 2 kann aus jedem Elektronen emittierenden Stoff genügender Haltbarkeit bestehen, doch wird sie vorzugsweise aus Wolfram oder Tantal in der Form einer Spirale hergestellt, die innerhalb einer Sammelvorrichtung 8 angeordnet ist, wie es beim Bau von Röntgenröhren üblich ist.

Die Kathode wird von einem elektrostatischen Schirm 9 umgeben, der die Kathode und ihre Zuleitungen gegen das Ansetzen von Entladungen schützt. Dieser Schirm verhindert zugleich, daß etwaige scharfe Spitzen an der Kathode Entladungen herbeiführen. Er kann aus einer geschlitzten Metallröhre, z. B. aus Nickel, Monelmetall· oder Chromeisen, bestehen und wird auf dem einspringenden Hals S durch Reibung gehalten. Natürlich können auch andere geeignete Methoden zur Befestigung dieses Teiles zur Anwendung gelangen.

Die Antikathode 3 kann aus einem festen zylindrischen Metallblock 10, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen und eine geneigte Fläche 11 aufweisen, die mit einer schwer schmelzbaren Metalleinlage oder -scheibe 12 aus einem Metall von hohem Atomgewicht, wie z. B. Wolfram, besteht. Die Antikathode ist auf einem Metallrohr 13 abgestützt, das durch einen einspringenden Zapfen 14 gehalten wird; der Strom wird ihr durch den Zuführungsdraht 15 zugeleitet, der in den Quetschfuß des Halses 14 eingequetscht ist. Neben der Kathode 2 ist eine zweite, mit ihr elektrisch verbundene Kathode 16 angeordnet. Diese Kathode ist konkav ausgebildet, um die an ihr erzeugten Elektronen gesammelt einer zweiten Antikathode 17 zuzuführen, die ein Teil der Antikathode 3 bilden kann. Der sekundäre Antikathodenspiegel ist mit einer Fläche 18 aus schwer schmelzbarem Metall versehen, auf welche die sekundären Elektronen aufprallen.

Eine hohe Spannung, wie sie gewöhnlich zum Betrieb von Röntgenröhren verwendet wird, liegt zwischen den Kathoden 2 und 16 einerseits und den Antikathoden 3 und 17 andererseits. Ein Heizstrom durchfließt die Kathode 2, um sie auf eine die Elektronenemission ermöglichende Temperatur zu bringen. Mit einer solchen Einrichtung werden die durch die Kathode 2 thermisch emittierten Elektronen unter Wirkung der Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden auf die Antikathode 3 abgelenkt, die ihrerseits Röntgenstrahlen von der Fläche 12 der Antikathode erzeugen.

Die von der glühenden Kathode 2 mit einer geringen Anfangsgeschwindigkeit emittierten Primärelektronen erreichen beim Durchqueren des zwischen der Kathode und der Antikathode 3 gelegenen Raumes eine Geschwindigkeit, die von der Größe des Spannungsunterschiedes zwischen den Elektroden abhängt. Die Endgeschwindigkeit der Elektronen beim Auftreffen auf den Spiegel 12 ex^-gibt sich, aus der Gleichung v² ■=. KV, worin ν die Elektronengeschwindigkeit, V den Spannungsunterschied zwischen den Elektroden und K eine Konstante bezeichnet, die die Masse und die elektrische Ladung eines Elektrons berücksichtigt.

Die beim Auftreffen des Elektronenstromes auf die Antikathode 12'entstehenden Röntgenstrahlen werden eine begrenzte Frequenz besitzen, die lediglich von der Geschwindigkeit der Elektronen gemäß folgender Gleichung abhängt:

V · & ■==. — m 2

= h v.

Hierin bedeutet ν die Frequenz der Röntgenstrahlen, m die Masse und e die Ladung des Elektrons; h ist die Plancksche Konstante, die ungefähr 6,55 · io~²⁷ Erg-Sekunden beträgt.

Die auf dem Spiegel 12 entstehenden Röntgenstrahlen werden nach allen Richtungen von dessen Fläche ausgesandt und bestehen größtenteils aus Strahlen in der Nähe der Grenzfrequenz, die durch die Geschwindigkeit der betreffenden Elektronen gegeben ist.

Einige von diesen Röntgenstrahlen werden die konkave Fläche der Sekundärkathode 16 treffen und erzeugen hier sekundäre Elektronen. Die Anfangsgeschwindigkeit dieser Sekundärelektronen ist von der F'requenz der sie erzeugenden Röntgenstrahlen abhängig und praktisch gleich der Geschwindigkeit, welche die primären Elektronen in dem Moment besaßen, wo sie auf den Antikathodenspiegel 12 auftrafen. Die Anfangsgeschwindigkeit der Sekundärelektronen kann durch eine ähnliche Gleichung ausgedrückt werden, wie sie die Beziehung zwischen der Geschwin-

digkeit des Primärelektrons und der Frequenz der resultierenden Röntgenstrahlen angibt, nämlich durch

2

woraus sich ergibt:

mv² = h · ν,

υ² = 2

V.

Die von der Kathode i6 emittierten Sekundärelektronen werden Anfangsgeschwindigkeiten über einen weiten Bereich bis zu der Maximalgeschwindigkeit besitzen, die der Grenzfrequenz der an der Antikathode 12 erzeugten Röntgenstrahlen entspricht; da aber Röntgenstrahlen in der Nähe der Grenzfrequenz vorherrschen, so werden die von der Kathode 16 emittierten Elektronen größtenteils aus Elektronen hoher Geschwindigkeit bestehen. Diese Sekundärelektronen werden durch die konkave Kathode 16 auf der Bremsfläche 18 konzentriert, und ihre Geschwindigkeit wird beim Durchqueren des zwischen den Elektroden gelegenen Raumes um den gleichen Betrag erhöht, wie die Endgeschwindigkeit der Primärelektronen von der Kathode 2 betrug. Das Maximum oder die Grenzgeschwindigkeit, die jedes dieser Sekundärelektronen beim Auftreffen auf den Spiegel 18 aufweisen kann, wird das Doppelte der höchsten Geschwindigkeit der Primärelektronen beim Auf treffen auf die Antikathode 12 betragen, also das Doppelte von dem, was unmittelbar durch die zwischen den Elektroden herrschende Potentialdifferenz erreicht werden könnte.

Es sei bemerkt, daß die Anzahl der Sekundärelektronen von hoher Geschwindigkeit natürlich viel kleiner ist als die Anzahl der Primärelektronen, weil nur ein kleiner Teil der Röntgenstrahlen auf die Sekundärkathode 16 auf trifft.

Die Sekundärelektronen erzeugen beim Auf treffen auf den Antikathodenspiegel 18 Röntgenstrahlen mit einer sehr viel höheren Frequenz als sie die von den Primärelektronen erzeugten Strahlen aufweisen; infolgedessen besitzen sie auch eine höhere Frequenz als sie durch die zwischen den Elektronen herrschende Spannung unmittelbar erreicht werden könnte. Diese Röntgenstrahlen von höherer Frequenz haben eine höhere Durchdringungsfähigkeit. Die mit den Bezugszeichen A, B, C und D bezeichneten Linien geben die mögliche Bahn eines Primärelektrons, der resultierenden Röntgenstrahlung, des hierdurch hervorgerufenen Sekundärelektrons und der End-Röntgenstrahlung an.

In Abb. 2 ist eine Kathodenstrahlröhre mit einer Hülle 22 vorgesehen, die eine der Ausführungsform gemäß Abb. 1 ähnliche Kathode 23, eine zweite und dritte Kathode 24 und 25 und einen Antikathodenspiegel 26 besitzt.

Die mit hoher Geschwindigkeit von der Kathode 25 emittierten Elektronen werden durch eine röhrenförmige Anode 27 gesammelt, die in einer röhrenförmigen Verlängerung 28 der Hülle angeordnet ist. Die Anode 27 ist mit einer Klemme 29 versehen, die mit derselben Spannungsquelle verbunden werden kann wie die Antikathode 26. Die Anode 27 dient dazu, den Elektronenstrom von hoher Geschwindigkeit einem dünnen Glasfenster 30 zuzuführen, das in das Ende der röhrenförmigen Verlängerung 28 eingeblasen ist. Das kuppeiförmige Fenster 30 besitzt eine Stärke von 0,0025 bis 0,125 ^mm und ist für Elektronen hoher Geschwindigkeit gut durchlässig. Mit einem Fenster von einer Stärke von 0,025 mm entspricht die Energieabsorption im Glas bei Spannungen von 100 000 Volt, die unmittelbar zwischen der Anode und einer Glühkathode ohne Wirkung der dazwischen liegenden Elektroden 24, 25 und 26 herrscht, einem Abfall in der Spannung zwischen den Elektroden von nur ungefähr 16 000 Volt. Bei 200 000 Volt tritt ein Energieverlust auf, der nur einem Spannungsabfall von rund 8 000 Volt zwischen den Elektroden entspricht. Da der Energieverlust im Glas mit wachsender Geschwindigkeit .des Elektronenstromes abnimmt, erleiden die durch die Erzeugung von Kathodenstrahlen hochfrequenter Röntgenstrahlen erzeugten Elektronen von sehr hoher Geschwindigkeit einen sehr viel geringeren Energieverlust in dem Fenster der Kathodenstrahlröhren, als er bei unmittelbarer Verwendung der gleichen Spannung zwischen den Elektroden auftreten würde, und da die Geschwindigkeit der durch das Fenster geworfenen Elektronen vergrößert ist, so wird auch eine stärkere Elektronenaussendung in die Außenluft erreicht.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Vakuumentladegefäß zur Erzeugung sehr harter Röntgenstrahlen oder sehr schnell bewegter Elektronen ohne Verwendung einer ihrer Härte bzw. Geschwindigkeit entsprechenden hohen Spannungsdifferenz zwischen den vorhandenen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladegefäß seitlich von der die Primärelektronen liefernden Hauptkathode und seitlich von der ihr zugeordneten, beim Aufprall der Primärelektronen Röntgenstrahlen aussendenden Hauptantikathode zusätzliche Kathoden und Antikathoden aufweist, und daß diese Hilfselektroden derart ausgebildet und mit Bezug aufeinander und die Hauptelektro-

   den angeordnet sind, daß die durch die Primärelektronen auf der Hauptantikathode erzeugten Röntgenstrahlen auf die eine der zusätzlichen Kathoden geworfen werden, dort Elektronen mit der Härte der Röntgenstrahlen entsprechend hoher Anfangsgeschwindigkeit erzeugen, und daß diese sekundär erzeugten Elektronen, noch beschleunigt durch die zwischen der Hilf skathode und der ihr zugeordneten Hilfsantikathode herrschende Spannungsdifferenz, mit größerer Geschwindigkeit, als die Endgeschwindigkeit der Primärelektronen war, auf diese Hilfsantikathode auftreffen, so daß sie eine die primäre Röntgenstrahlung entsprechend an Härte übertreffende Röntgenstrahlung erzeugen, die entweder unmittelbar oder aber, je nach der Zahl der zusätzlichen Kathoden und Antikathoden, erst nach gegebenenfalls mehrfacher, in der" vorher beschriebenen Weise erfolgender Umwandlung in Elektronen bzw. Röntgenstrahlen ständig wachsender Geschwindigkeit bzw. Härte die Röhre Verläßt,
2. 2. Vakuumentladegefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathoden in an sich bekannter Weise becherförmig gestaltet und in nächster Nähe der Hauptkathode angeordnet sind.
3. 3. Vakuumentladegefäß nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß in an sich bekannter Weise mit einem Fenster ausgestattet ist, durch das, falls die Zahl der zusätzlichen Kathoden größer ist als die Zahl der zusätzlichen Antikathoden, die von der letzten Kathode ausgesandten Elektronen sehr hoher Geschwindigkeit auszutreten vermögen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen