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Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigen Röntgenstrahlung hoher
Intensität Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer kurzzeitigen
Röntgenstrahlung hoher Intensität, bei der in einem Gas- oder Dampfentladungsgefäß
niedriger Brennspannung eine Entladung gezündet wird, und zwar bei einer zur Erzeugung
von Röntgenstrahlen ausreichend hohen, an den Elektroden liegenden Spannung bei
einem solchen Druck des Füllgases oder Fülldampfes (Edelgasdruck etwa i X io-2 mm
QS, Dampfdruck des Quecksilbers bei etwa 25°), daß bereits vor dem Spannungszusammenbruch
ein durch Ionisationswirkung verstärkterAnodenstrom zur Anode gelangt. Für die praktische
Anwendbarkeit sehr kurzzeitiger Röntgenstrahlungen ist wesentlich, daß die Strahlung
so intensiv ist, daß trotz ihrer geringen Zeitdauer dem Leuchtschirm oder der fotografischen
Schicht, ganz allgemein gesprochen dem zu bestrahlenden Gegenstand, eine ausreichende
Energiemenge zugeführt wird. Die Erzeugung genügend großer Strahlungsintensitäten
setzt verhältnismäßig hohe Stromstärken voraus. Die Stromstärke in dem Entladungsgefäß
wird jedoch, besonders zu Beginn der Entladung, durch die Elektronenergiebigkeit
der Kathode begrenzt.
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Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, bei einer Einrichtung zur Erzeugung
kurzzeitiger Röntgenstrahlung hoher Intensität mittels eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes
eine hohe Stromstärke zu erzielen.
Nach der Erfindung werden die
zur Erzeugung der die Röntgenstrahlung auslösenden Entladung dienenden Elektroteen
wenigstens zu Beginn der Entladung einem Vorrat eines ionisierten Gases, Dampfes
oder Gas- und Dampfgemisches entzogen. Auf diese Weise ist es möglich, der die Röntgenstrahlung
auslösenden Entladung von vornherein eine große Zahl von Elektronen zur Verfügung
zu stellen, ohne daß die Zufuhr von Elektronen zu der Hauptentladung zunächst durch
negative Raumladung geschwächt wird, welche erst nach dem Zünden der Entladung durch
Bildung positiver Ladungsträger kompensiert wird.
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Einen Vorrat eines ionisierten Gases oder Dampfes kann. man beispielsweise
dadurch schaffen, daß die in einem Raum eingeschlossene Gas- oder Dampfmenge auf
sehr hohe Temperatur gehalten wird. Einfacher ist es aber, einen Vorrat an ionisierten
Gasen oder Dämpfen mit einer Hilfsentladung zu erzeugen. Als Kathode dieser Hilfsentladung
kann man die Kathode der zur Erzeugung der Röntgenstrahlungen dienendenHauptentladung
benutzen. Als Anode kann man einen die Kathode umgebenden Hohlkörper verwenden.
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Ein Entladungsgefäß mit einer Hilfsentladungsstrecke gemäß der Erfindung
ist in der Fig. i dargestellt.
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Mit z ist ein Entladungsgefäß bezeichnet. 2 ist eine Glühkathode,
an deren Stelle auch eine Quecksilberkathode treten kann. Die Kathode 2 ist von
der Hilfsanode 3 umgeben, welche rohrförmig ausgebildet ist und sich nach oben verjüngt.
Die Hilfsanode dient gleichzeitig zur elektrostatischen Abschirmung der Kathode
2. Da diese Hilfsanode nach dem Zünden, der Entladung unter Umständen ein hohes
positives Potential erhalten kann, sind die Stromzuführungen zur Kathode mit einem
besonderen Abschirmzylinder 4 umgeben, der auf konstantem Potential gegenüber der
Kathode gehalten werden. kann. Unter Umständen genügt es auch, den Schirm 4 sich
selbst zu überlassen. Man kann in diesem Falle die Spannungsverteilung durch geeignete
Wahl gegenseitiger Kapazitäten beeinflussen. Die Kanten des Anodenkörpers 3 und
aller übrigen Metallteile der Röhre sind abgerundet, um das Auftreten hoher elektrischer
Feldstärken möglichst zu vermeiden. Der Anodenkörper 3 ist an seinem oberen. der
Hauptanode 5 gegenüberstehendenEnde mit einem in denAbschirrnzylinder 6 eingreifenden
Ansatz versehen, der eine zweckmäßig längliche Öffnung für den Austritt von Elektronen
besitzt. Um das Auftreffen positiver Ladungsträger auf die Kathode möglichst zu
vermeiden, ist im Innern der Hilfsanode ein Schirmblech 7 angebracht, welches die
obere Öffnung der Anode gegenüber der Kathode abschirmt. Der Abschirmzylinder 6
ist mit der Hauptanode 5 über einen Widerstandskörper $ verbunden, der gleichzeitig
zur Befestigung des Schirmes 6 an der Anodenzuführung dient. Der Abschirmzylinder
6 ist nach oben hin verlängert, um die Einschmelzung der Anodenzuleitung frei von
elektrischen Beanspruchungen zu halten. 9 ist eine im Abschirmzylinder 6 angebrachte,
zum Austritt der Strahlung bestimmte Öffnung, die, um den Austritt von Licht zu
vermeiden, mit einem dünnen Blech aus Beryllium (Be) abgedeckt sein kann. Bei dem
in Fig. 1 dargestellten Rohr wird zwischen der Kathode 2 und der Hilfsanode 3 eine
Entladung aufrechterhalten, durch die das Gas oder der Dampf im Innern der Anode
3 ionisiert wird. Man kann dazu beispielsweise die in Fig. 2 dargestellteSchaltungsanordnung
benutzen.
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Das Röntgenrohr ist in dieser Schaltungsanordnung nur schematisch
angedeutet. Es sind alle zum Verständnis nicht erforderlichen Teile (Abschirmbleche)
weggelassen. Die mit der Fig. i übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.
Zwischen die Kathode 2 und die Hilfsanode3 sind eine Spannungsquelle 24 und ein
Strombegrenzungswiderstand 25 gelegt, so daß zwischen Kathode und Hilfsanode 3 eine
Entladung übergeht. Mit der Anode 5 ist eine Funkenstrecke 29 in Reihe geschaltet.
io ist ein Kondensator, der von einer nicht dargestellten Spannungsquelle über den
Widerstand i i aufgeladen wird. Wenn die Kondensatorspannung einen genügend hohen
Wert erreicht hat, schlägt die Funkenstrecke 29 durch und legt dadurch. die Kondensatorspannung
unmittelbar zwischen Kathode :2 und Anode 5. Es kommt dann eine kurzzeitige Entladung
zustande, deren Dauer von der Geschwindigkeit des Zusammenbruchs der Spannung an
den Elektroden des Entladungsgefäßes abhängt, während der die Elektronen mit sehr
hohen Geschwindigkeiten gegen die Anode 5 geschleudert werden und dortRöntgenstrahlen
auslösen. Die Häufigkeit der Entladungsstöße ist von der Größe der Kapazität io
und dem Widerstand -i i sowie der angelegten Spannung 12 abhängig. Durch Ändern
der drei Größen gleichzeitig oder einzeln kann die Häufigkeit der Entladungsstöße
und damit die Häufigkeit der Röntgenblitze verändert und eingestellt werden. Man
kann auf diese Weise beispielsweise die Verhältnisse so einstellen, daß in einer
Sekunde 16 bis 25 oder mehr außerordentlich kurzzeitige Röntgenblitze entstehen.
Da die Dauer der Röntgenstrahlung in der Größenordnung von i - io-6 bis 5 - io-6
Sekunden liegt, so kann man auf einem z. B. stetig bewegten Film nacheinander Aufnahmen
herstellen, die sich mit Hilfe einer kinematografischen Vorrichtung als bewegte
Bilder wiedergeben lassen. Durch Einstellung der Entladungshäufigkeit kann man Zeitraffer-oder
Zeitdehneraufnahmen anfertigen:.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 2 wird die Spannung des Kondensators
erst im Augenblick der Zündung des Entladungsgefäßes zwischen Anode und Kathode
mit Hilfe einer Funkenstrecke angelegt. Man kann an Stelle der Funkenstrecke auch
andere Schaltmittel, z. B. steuerbare Entladungsgefäße, benutzen. Man kann aber
auch, wie in Fig.3 dargestellt, den Kondensator dauernd mit der Anode verbinden.
Man muß dann allerdings dafür sorgen, daß die Entladung zur Hauptanode 5 erst einsetzt,
wenn die Kondensatorspannunig einen ausreichend hohen Wert erhalten hat. Zu diesem
Zweck
empfiehlt es sich, die Hilfsentladung erst unmittelbar vor dem Augenblick zu zünden,
in welchem die Hauptentladung einsetzen so-11. Man kann beispielsweise mit Hilfe
einer Schaltvorrichtung, einer Funkenstrecke od. dgl. erst im Zündmoment eine ausreichend
hohe Spannung an die Hilfsanode 3 legen. Zu diesem Zweck dient bei der Einrichtung
nach Fig. 3 der Umschalter 13, der in der einen Stellung eine negative Spannung
an die Hilfsanode legt und dadurch das Zustandekommen einer Entladung verhindert.
In seiner anderen Stellung erhält die Hilfsanode aber ein positives Potential, unter
dessen Einfluß sich zunächst die Hilfsentladung zwischenKathode und Hilfsanode3
ausbildet. Da das Anodenfeld in den Innenraum der Hilfsanode 3 eingreift, so geht
die Hilfsentladung selbsttätig in die Hauptentladung über. Versuche haben ergeben,
da.B die Hauptentladung erst dann in voller Stärke einsetzt, wenn die Hilfsentladung
aufgebaut ist.
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Man kann auch mit einer ständig brennenden Hilfsentladung arbeiten
und den Kondensator io dauernd mit Anode und Kathode verbinden, wenn man das Übergehen
der Hilfsentladung in die Hauptentladung durch Steuerelektroden, insbesondere Steuergitter,
beeinflußt. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise den obersten Teil der Hilfsanode
verwenden. Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Der die
Austrittsöffnung für die Elektronen tragende Ansatz der Hilfsanode, der in Fig.
4 mit 3' bezeichnet ist, ist von der Anode 3 isoliert, so daß ihm ein besonderes
Potential aufgedrückt werden kann. Man kann dadurch, daß man das Potential des Teiles
3' genügend stark negativ macht, den Durchbruch der Entladung zur Hauptanode vermeiden.
Eine hierfür geeignete Schaltung ist in Fig.5 dargestellt. Der Teil 3', welcher
zur Steuerung der Entladung dient, ist hier als Gitter dargestellt und kann auch
an Stelle der in Fig.4 dargestellten Bauform als gitterförmige Elektrode verwendet
werden. Er wird über den Transformator 14 und dieVorspannbatterie 15 mit der Kathode
verbunden. Die Hilfsentladung wird von der Batterie 24 gespeist. Dadurch, daß man
durch den Transformator 14 einen Stromstoß leitet, durch den die Spannung an der
Steuerelektrode 3' erhöht wird, kann man die Hauptentladung zünden. Sie erlischt
von selbst, sobald der Kondensator io entladen ist. Mit Hilfe der Steuerelektrode
3 kann man die Entladung zu beliebig wählbaren Zeitpunkten zünden. Dies ist erwünscht,
wenn es sich beispielsweise darum handelt, bei der Durchleuchtung bewegter Gegenstände
den Röntgenblitz in einem ganz genau definierten Zeitpunkt auszusenden. Man kann
beispielsweise die die Zündung einleitende Spannung mit irgendwelchen Bewegungsvorgängen
elektrisch koppeln, ähnlich wie dies bei oszillografischen Aufnahmen periodischer
elektrischer Vorgänge üblich ist.
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Die Röntgenröhre gemäß der Erfindung kann mit Edelgasen oder Edelgasgemischen
geeigneten Druckes, z. B. o,:2 - io-2 bis 2 - io-2 mm,QS, gefüllt sein. Man kann
aber auch Quecksilber in die Röhre einfüllen und durch Einstellung der Temperatur,
z. B. auf etwa 25°C, den gewünschten Druck aufrechterhalten. Man kann auch Gemische
von Edelgasen und Quecksilberdampf anwenden. Durch die Gas- oder Dampffüllung wird
die Wärmeabfuhr von der Anode im Vergleich zu Hochvakuumröhren wesentlich gesteigert.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr kann man auch Gase hoher Wärmeleitfähigkeit, z.
B. Helium oder Wasserstoff oder Helium oder Wasserstoff enthaltende Gas- oder Dampfgemische,
verwenden. Im übrigen kann man zur Kühlung der Anode alle in der Röntgenröhrentechnik
bekannten Kühlmittel anwenden.
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Bei dem in Fig. 2, 3, 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein
Kondensator über die Röntgenröhre entladen. Man kann den Kondensator aber auch durch
eine Induktivität genügender Größe ersetzen. Man kann beispielsweise zu diesem Zweck
einen Transformator verwenden, dessen Primärwicklung plötzlich stromlos gemacht
wird.