Vorrichtung zur impulsförmigen Röntgenstrahlenerzeugung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung zur impulsförmigen Röntgenstrah- lenerzeugung, die mit einer Röntgenröhre mit einer Steuerelektrode und einem Schirmgitter und mit einer mit der Röntgenröhre in Reihe geschalteten, vom Anodenstrom der Röhre er regten Induktionsspule versehen ist. Die Er regung der Induktionsspule wird dazu be nutzt, Röntgenstrahlen sehr hoher Intensität mittels schnell aufeinanderfolgender, von der Steuerelektrode gesteuerter Entladungsblitze zu erhalten. Das Potential der Steuerelek trode kann zu diesem Zweck plötzlich bis zu einem Wert herabgesetzt werden, bei dein der Strom durch die Röntgenröhre unterbrochen wird.
Der dureh die Induktionsspule fliessende Strom kann dann nicht so schnell Null wer den, und es entwiekelt sich daher an den Spu- lenenden ein grosser Potentialunterschied, der als Anodenspannung an der Röntgenröhre wirksam ist.
Die der Steuerelektrode zuge führte Spannung bat die Form eines Impulses solcher Art, dass der Strom durch die Rönt genröhre nicht länger unterbrochen bleibt, als notwendig ist, um die Spannung an der Röhre bis zu einem Wert zu steigern, bei dem Rönt genstrahlen der erforderlichen Wellenlänbe iibertragen werden. Die dann auftretende Entladung dauert sehr kurz, worauf der An odenstrom langsam bis zur Sättigung zu nimmt und dann aufs neue von einem nega- tiven Steuerspannungsimpuls unterbrochen wird.
_ Während der Zeit zwischen zwei Ent ladungsblitzen ist der Mittelwert des Anoden stromes etwa gleich der Hälfte des Kathoden stromes. Der Überschuss an Elektronen geht zum Schirmgitter. Diese Elektronen sind die Ursache davon, dass das Schirmgitter stark aufgeheizt wird und folglich beschädigt wer den kann. Die Ableitung von Elektronen durch das Schirmgitter verursacht auch einen Energieverlust.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die sen Nachteil zu vermeiden. Nach der Erfin dung sind Mittel vorhanden, durch die zwi schen den aufeinanderfolgenden Entladungs blitzen der Schirmgitterstrom durch Herab setzung des Durchlassvermögens der Röntgen röhre wesentlich verkleinert wird.
Das Auftreten des starken Schirmgitter- stromes in den bekannten Vorrichtungen die sei Art lässt sich wie folg; erklären: Ein Teil der diesen Stromherbeiführenden Elektronen wird direkt von den Gitterdrähten abgefan gen. Eine Herabsetzung dieses Stromes ist nur durch Änderung der Röhrenkonstruktion möglich. Bei einem solchen Aufbau, dass prak tisch keine direkte Elektronenableitung er folgt, muss das Schirmgitter im Schatten der Steuerelektrode angeordnet sein.
Hierfür ist eine hohe Genauigkeit der Bearbeitung -erfor- derlich. Im allgemeinen wird man bevorzugen, die hierbei auftretenden Schwierigkeiten da durch zu vermeiden, dass ein geringer Strom zum Schirmgitter zugelassen wird.
Im übrigen besteht der Schirmgitterstrom aus Elektronen, die unter der Einwirkung der Feldverteilung in der Röntgenröhre auf ihrem Weg von der Kathode zur Anode durch das Schirmgitter hindurchgehen und dann zu ihm zurückkehren. Diese Rückkehr von Elektronen ist am grössten im Anfang der sogenannten Anlassperiode; das ist die zur Erregung der. Induktionsspule erforderliche Zeit, wenn die Anodenspannung niedriger ist als die Schirm.. gitterspannung. Während der Anlassperiode muss der Anodenstrom von Null bis zum Maxi malwert anwachsen, und wenn-nun am.
An fang dieser Periode die Röhre voll geöffnet wird. indem zum Beispiel die Spannung an der Steuerelektrode hinreichend hoch ist, so fliesst anfänglich der Gesamtkathodenstrom zum Schirmgitter. Dieser Strom nimmt immer mehr ab, entsprechend der Zunahme des An odenpotentials, bis der Anodenstrom seinen h äehsten Wert erreicht hat und nur noch die direkt vom Schirmgitter aufgefangenen Elek tronen abgeleitet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Vor richtung nach der Erfindung wird unter Ver wendung des Stromes zum Schirmgitter die Spannung am Schirmgitter selbsttätig derart geregelt, dass dieser Strom während der An lassperiode hinreichend klein ist, um keinen v,esentliehen Energieverlust oder Beschädi gung der Schirmgitterdrähte herbeizuführen. Zu diesem Zweck ist in die Gitterzuleitung ein Widerstand geschaltet, und das Schirm gitter ist gleichzeitig über eine Diode mit einem Punkt konstanten Potentials verbun den, der das zulässige Schirmgitterpotential. nicht überschreitet.
Im Widerstand tritt ein Spannungsverlust auf, so dass dieser Wider stand mit. einem Punkt höheren Potentials verbunden sein muss als das Potential, das als Gitterspannung gewünscht ist. Der Potential unterschied zwischen diesen Punkten mass etwa gleich der vom Strom im Widerstand herbeigeführten Verlustspannung sein, die entsteht, wenn nur die direkt aufgefangenen Elektronen abgeleitet werden. Jede Zunahme des Schirmgitterstromes erhöht. den Span- iningsverlust, so dass das Potential dieser Elektrode herabgesetzt und folglich die Leit fähigkeit der Röntgenröhre verringert wird.
Es ist auch möglich, den in einem Wider stand in der Schirmg-itterzuleitung auftreten den Spannungsverlust auf andere Weise zu benutzen. In einer dazu dienenden Ausfüh rungsform wird dieser Spannungsverlust über einen Verstärker in einer das Potential herab setzenden Form der Steuerelektrode der Rönt genröhre zugeführt. Dabei treten zwei Schwie- rigkeiten auf.
Durch Anschluss des Wider standes an die positive Klemme der Span nungsquelle für die Schirmgitterspannung er gibt sieh eine Regelung des Potentials der Steuerelektrode von solcher Art, dass der Schirmgitterstrom während der Anlassperiode etwa konstant ist.
Eine Regelung dieses Po tentials, so dass der Schirmgitterstrom einen konstanten Teil des Anodenstromes durch die Röntgeiir öhre darstellt, wird - dadurch erbal ten, dass der Widerstand an die negative Klemme der Spannungsquelle für die Schirm gitterspannung angeschlossen und mit der Ka thode der Röntgenröhre verbunden wird und in den Anodenkreis ein Kathodenwiderstand eingeschaltet wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 das Prinzipschema eines Impuls- generators zum Erzeugen von Röntgenstrah len (kein Ausführungsbeispiel der Erfindung), Fig. 2 bis 5 und 7 den Verlauf der auftre tenden Spannungen und Ströme und Fig.6, 8, 9 und 10 schematisch Ausfüh rungsbeispiele von Vorrichtungen nach der Erfindung.
In Fig. 1 wird der Anode 1 der Röntgen röhre 2 die Speisespannung 2'b, die von der Grössenordnung von 0,5 bis 20 kV sein kann, über die Selbstindüktionsspifle 3 zugeführt. Diese Spule besitzt neben ihrer Indaktivität eine geringe Kapazität, die durch den Kon densator 4 wiedergegeben wird, in dem auch die Röhrenkapazität. und etwaige zusätzliehe Kapazitäten enthalten gedacht sind.
Die Ent ladungsröhre 2 besitzt eine! Kathode 5, die mit der negativen Klemme der Spannungsquelle Vb und mit Erde verbunden ist, sowie die Steuerelektrode 6 und das Schirmgitter 7. Z@risehen der Kathode 5 und der Steuerelek trode 6 wird die Spannung Väl angelegt, und dem Schirmgitter 7 wird die konstante Span nung V,2 gegenüber der Kathode 5 zugeführt.
Der Steuerelektrode 6 wird periodisch eine negative Spannung zugeführt, wobei der in folge des Anlegens der Speisespannung in der Röntgenröhre auftretende Strom unterbrochen wird. Der durch die Induktionsspule fliessende Strom kann nicht. sofort gleich Null werden und lädt den Kondensator 4 auf. Folglich ergibt sieh eine Zunahme der Spannung der Röntgenröhre, und in dem Zeitpunkt, in dem die Spannung bis zum Wert zugenommen hat, bei dem Röntgenstrahlen der erforderlichen Wellenlänge entstehen können, wird die Steuerspannung wieder auf ihren ursprüng- liehen Wert zurückgebracht.
s Der zeitliche Verlauf der Steuerspannung' ist aus der Fig.2 ersichtlich. Die Anzahl Male, die je Sekunde auf diese Weise geschal tet werden kann, ist von der Induktivität der Spule 3, von dem Röhrenstrom i und von der i Speisespannung Vv abhängig.
Der von der Kathode 5 gelieferte Elektro nenstrom ist aus der Fig. 3 ersichtlich. Dieser Strom -wird aber nicht völlig zur Anode der Röntgenröhre abgeleitet. Der Augenblickswert des Anodenstromes wird durch die Eigen schaften der Indaktivität bedingt und nimmt ab Null linear bis zum Maximalwert zu. Der Ver lauf des Stromes in der Induktivität 3 ist ungefähr wie in Fig.4 dargestellt, aus der hervorgeht., dass der Strom kurze Zeit nach dem öffnen der Röhre seinen niedrigsten Wert erreicht. Diese Zeit bedingt die Dauer des Entladungsblitzes.
Aus den Fig. 3 und 4 kann der Stromver lauf zum Schirmgitter 7 abgeleitet werden. Dies ist in der Fig. 5 veranschaulicht. In dem Augenblick, in dem der Röhrenstrom infolge des Negath-werdens der Steuerelektrode 6 un- terbrochen wird, besteht der Schirmgitter strom praktisch völlig aus von den Gitter drähten direkt aufgefangenen Elektronen.
Eine Unterbrechung des Röhrenstromes<B>be-</B> wirkt auch die Unterbrechung des Schirmgit- terstromes, worauf beim öffnen der Röhre anfänglich der geringe, direkt. aufgefangene Elektronenstrom vorn Gitter abgeleitet wird, jedoch nach dem Ende des Entladungsblitzes nimmt dieser Strom sehr stark zu, indem das Schirmgitter bei der in diesem Moment sehr niedrigen Anodenspannung sämtliche Elektro nen anzieht. Während der Anlassperiode nimmt der Anodenstrom allmählich zu, und der Schirmgitterstrom nimmt dementsprechend ab.
Es ergibt sich daher, da.ss der mittlere vom Schirmgitter abgeleitete Elektronenstrom etwa. gleich dem mittleren Anodenstrom ist.
Das Durchlassvermögen einer Entladungs röhre kann durch Änderung der Schirmgitter- Spannung oder durch Anlegen einer wechseln den Spannung an die Steuerelektrode geän.. dert werden. Eine übliche Massnahme zur Be- schr änkung des Schirmgztterstromes besteht. in der Anordnung eines Widerstandes in der Stromzuleitung dieses Gitters.
Hiermit ist ein Nachteil verbunden.
Wenn man zum Beispiel den maximal auf tretenden. Schirmgitterstrom auf den doppel ten Wert des Stromes beschränken will, der von den. das Gitter direkt treffenden Elek tronen erzeugt wird, so lässt sieh zeigen, dass die Speisespannung für das Schirmgitter das Zweifache der Spannung sein muss, die für das maximale Durchlassvermögen, bei dem der volle Anodenstrom in der Röntgenröhre auf tritt, erforderlich ist.
Diese hohe Spannung stellt einen Nachteil dar, denn wenn die Span nung an der Steuerelektrode herabgesetzt wird, bis der Röhrenstrom unterdrückt ist, so tritt in diesem Widerstand infolge der Ab wesenheit von Schirmgitterstrom kein Span- nungsverlust auf. Die Erscheinung, dass die Schirmgitterspannung bis zum Doppelwert der Betriebsspannung zunehmen kann, kann unerwünschte Entladungen und Funküber- sehläge zur Folge haben.
In Fig. 6 ist dar gestellt, auf welche Weise dieser Nachteil ver- mieden werden kann. Das Schirmgitter ist ausser mit dem Widerstand 28 noch mit einer Diode 29 verbunden, wobei die Diode an ein etwa um die Hälfte niedrigeres Potential der Schirmgitterspannungsquelle V,2 angesehlos- sen ist als der Widerstand 28. Die Diode 29 verhütet, dass das Potential des Schirmgitters einen höheren Wert erreicht als der Punkt, in dem die Diode an die Spannungsquelle an geschlossen ist.
Ferner kann geprüft werden, welche Form die Spannungskurve der an die Steuerelek trode angelegten Spannung haben muss, um zu bewirken, dass der Strom durch die Röhre in Jedem Augenblick nicht viel grösser als der a Anodenstrom ist. Diese Spannungskurve ist in der Fig. 7 dargestellt. Sie hat eine Gestalt, die sehr schwer verwirklichbar ist. Es wird daher zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entladungsblitzen eine zweite Steuerspan nung getrennt zugeführt. Diese kann aus einer sägezahnförlnig verlaufenden Spannung be stehen, welche sehr leicht verwirklichbar ist.
Für die getrennte Zuführung zweier Steuerspannungen zur Steuerelektrode kann die Schaltung nach Fig. 8 dienen. In dieser Figur beziehen sich die in Fig.1 verwendeten Bezugszeichen auf gleiche Einzelteile.
Die von einem nicht dargestellten, aber nach einer an sich bekannten Schaltung aus gebildeten Generator gelieferten Impulse, wel che die' Erzeugung der Röntgenstrahlen steuern, werden der Steuerelektrode 6 über die Diode 8 zugeführt, deren- Anode mit der Steuerelektrode 6 verbunden ist. Beim Nega- th,-erden der Kathode ist die Diode strom durchlässig, und der Kondensator 9 wird bis auf diese negatives Spannung aufgeladen. Der Kondensator 9 wird von der Kapazität zwi schen der Steuerelektrode 6 und der Kathode 5 der Röntgenröhre und etwaigen zusätzlichen Kapazitäten gebildet. Nach Ablauf der Dauer des negativen Spannungsimpulses wird die Diode 8 gesperrt.
Es muss dafür Sorge getra gen werden, dass der Kondensator 9 schnell genug entladen wird, um innerhalb der Dauer des Entladungsblitzes durch die Röntgenröhre das Potential der Steuerelektrode auf den ursprünglichen Wert zurüekztubringen. Zu diesem Zweck dient der Ableitungswider stand 10.
Die Potentialänderung zur Steuerung des Elektronenstromes in der Röntgenröhre zwi schen zwei Entladungsblitzen wird über die Diode 11 der Steuerelektrode zugeführt. Der Verlauf der Spannung wird von der an die Kathode dieser Diode angeschlossenen Span nungsquelle, die nicht. dargestellt ist, da sie von einer an sich bekannten Ausführung sein kann, selbst geregelt. Beim Negativwerden der Kathode der Diode 11 bleibt die Diode 8 ge sperrt, so dass keine Rüekwirliung über diese auf die Impulsspannung erfolgen kann. Das selbe gilt für die Diode 11, wenn die Kathode der Diode 8 negativ wird.
Es ist. aber möglich, die Steuerspannung für die Steuerung des Elektronenstrome; durch die Röntgenröhre zwischen den Ent ladungsblitzen Spannungsänderungen zu ent nehmen, die vom Schirmgitterstrom in einem im Schirmgitterkreis liegenden Widerstand herbeigeführt werden. Die getrennte Span nungsquelle zum Liefern dieser Steuerspan nung kommt dann in Fortfall, und der Schirmgitterstrom wird selbsttätig atü einen geringen Wert beschränkt.
Das Schaltbild einer solchen Vorriehtung nach Fig. 9 weist einen Zweistufenverstärker auf, dessen Aus gang über den Kondensator 12 mit der Ka thode des G-leichriehters 11 in Fig. 8 verbun den ist. Spannungsänderungen, die am Wider stand 13 bei Änderung des Schirmgitterstro- mes auftreten, werden über den Kondensator 14 dem Steuergitter 15 der ersten Verstär- kerröhre 16 zugeführt.
Das Gitter 15 ist durch den Ableitungswidefrstand 17 geerdet und mit der negativen Klemme der die Schirmgitter spannung V,2 liefernden Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsänderungen bewir ken eine Änderung des Potentials des Gitters 15, so dass die Röhre 16 mehr oder weniger siromdurchlässig wird.
Bei Zunahme des Spannungsverlustes im Anodenwiderstand 19 nimmt die Spannung an der Anode 18 der Röhre 16 zu, und diese Spannungszunahme bewirkt eine Erhöhung des Potentials des Steuergitters 20 der zwei ten V erstärkerröhre 21, die mit der Anode l8 der Röhre 16 durch einen Kondensator 22 ge- doppelt und über einen Ableitungswiderstand 30 geerdet ist. Der Entladungsstrom durch die Röhre 21 nimmt zu und gleichfalls der Spannungsverlust im Widerstand 23, der mit der Anode 21 verbunden ist und daher mit der Röhre 21. in Reihe geschaltet ist.
Die auf tretende Herabsetzung der Anodenspannung der Röhre 21 wird über den Kondensator 1.2 der Kathode der Diode 11 zugeführt.
Eine starke Abnahme des Gitterpotentials der Verstärkerröhre 16 entsteht. nach dem Offnen der Röntgenröhre zum Erhalten der Röntgenstrahlenemission, wenn die Entladung so weit fortgeschritten ist, dass die Anoden spannung die Schirmgitterspannung unter schreitet. In diesem Augenblick fängt das Schirmgitter an, der Entladung Elektronen zu entziehen. Diese Potentialabnahme wird von dem Verstärker und dem Kondensator 12 über die Diode 11 der Steuerelektrode 6 der Rönt genröhre weitergegeben und verringert. das Potential dieser Elektrode, so dass der Elek tronenstrom durch die Röntgenröhre abnimmt.
Die richtige Abnahme ist eine solche, bei der der Schirmgitterstrom bis auf einen Wert Herabsinkt, der nur wenig grösser ist. als der vom Gitter direkt aufgefangene Elektronen strom.
Das Durchlassvermögen der Röntgenröhre wird selbsttätig in Abhängigkeit von den Spannungsänderungen am Widerstand 13 in dem Sinne geregelt, dass eine Zunahme des Schirmgitterstromes eine Abnahme des Po tentials der Steuerelektrode bewirkt und um gekehrt.
Da vom Beginn der Anlassperiode der Anodenstrom in der Röhre 2 infolge der Zu- riahme des Anodenpotentials zunimmt, wird der Schirnigitterstrom abnehmen wollen, wo durch aber das Potential deir Steuerelektrode 6 zunimmt. Der Strom zum Schirmgitter be hält daher nahezu einen konstanten Wert.
Durch Änderung der Schaltung kann das Verhältnis zwischen dem Schirmgitterstrom und dem Anodenstrom der Röntgenröhre kon stant gehalten werden. Diese Schaltung, die in Fig. 10 dargestellt ist, weicht von derjenigen nach Fig. 9 dadurch ab, dass der Widerstand 13 mit der negativen Seite der Spannungs quelle V,2 und mit der Kathode 5 der Rönt genröhre verbunden ist- und der Anoden strom der Röntgenröhre einen Kathodenwider stand 26 durchläuft.
Das Verhältnis zwischen dem Widerstand 26 und. dem Widerstand 13 ist das Umgekehrte des Verhältnisses zwischen dem auftretenden Schirmgitter- iuid dem An odenstrom. Haben die beiden Ströme den rich tigen Wert, so ist das Potential des Verbin dungspunktes zwischen dem Widerstand 13 und der Spannungsquelle Vg2 gerade -Null. Die Störung dieses Verhältnisses bewirkt eine Potentialänderung dieses Punktes,, die vom Verstärker auf die Steuerelektrode 6 der Röntgenröhre 2 übertragen wird, so dass- bei Zunahme,
des Schirrngitterstromes das Poten tial der Steuerelektrode 6 abnimmt und bei Abnahme desselben zunimmt. Die Wirkungs- -eise der Vorrichtung weicht nicht von der Jc>.nigen ab, die an Hand der Fig. 9 besprochen wurde, und gleiche Einzelteile der Schaltung haben entsprechende Bezugsziffern.
In den beiden Schemas nach den Fig. 9 und 10 liegt zwischen dem Kondensator 12 und der Diode 11 ein Widerstand 25, der mit einem Prunkt 31 des Potentiometers 27 in der Kathodenzuleitung der Entladungsröhre 21. verbunden ist. Diese Zuführung dient zur Einstellung der Arbeitspunkte der Röntgen röhre 2.
An dem Widerstand 13 sind nur geringe Spannungsänderungen erforderlich, um nach erfolgter Verstärkung die erforderliche Ände rung der Steuerspannung für die Röntgen röhre 2 -herbeizuführen. Es genügt daher ein kleiner Widerstand, wobei der infolge des Schirmgitterstromes in diesem auftretende Spannungsverlust einen niedrigen Wert be sitzt und das Potential des. Schirmgitters bei Unterbrechung dieses Stromes nicht nennens wert zunimmt.
Die Gleichspannung zum Speisen der Ver- stärkerröhre ist der Spannungsquelle Vag zum Liefern des Schirmgitterpotentials entnom men. Andere für diese Zwecke geeignete Mög- liehkeiten bleiben irrbesprochen. Ferner sind in den Schaltungen einige Elemente, wie Ab flachkondensatoren, nicht dargestellt, da hin reichend bekannt ist, wo diese erforderlich sind.