Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.
EMI0001.0001
Es <SEP> ist <SEP> bis <SEP> in <SEP> die <SEP> jiingste <SEP> Zeit <SEP> hinein
<tb> als <SEP> Ideal <SEP> einer <SEP> Apparatur <SEP> für <SEP> den <SEP> Betrieb
<tb> von <SEP> Röntgenröhren <SEP> der <SEP> Betrieb <SEP> mit <SEP> <I>ritliender</I>
<tb> <I>Gleic@hshcaiiiiii,iig</I> <SEP> hingestellt <SEP> worden, <SEP> und <SEP> zwar
<tb> für <SEP> die <SEP> Zwecke <SEP> der <SEP> Tieftherapie. <SEP> weil <SEP> man
<tb> sieh <SEP> davon <SEP> eine <SEP> besonders <SEP> homogene <SEP> Strah lung <SEP> versprach. <SEP> für <SEP> die <SEP> Zwecke <SEP> der <SEP> Diagno stik <SEP> aber. <SEP> weil <SEP> man <SEP> auf <SEP> diesem <SEP> -N\'ege <SEP> die
<tb> grösste <SEP> Strahlenailsbeute <SEP> hei <SEP> geringster <SEP> Ge 1'iilii-dung <SEP> des <SEP> Antikathodeninetalles <SEP> erwar tete.
<SEP> Mrenn <SEP> trotzdem <SEP> die <SEP> gangbaren <SEP> Appa ralnren <SEP> keinen <SEP> Betrieb <SEP> init <SEP> stehender, <SEP> son dern <SEP> einen <SEP> solchen <SEP> mit <SEP> pulsierender <SEP> Gleich spannung <SEP> verwirklichen, <SEP> so <SEP> liegt <SEP> es <SEP> daran;
<tb> dass <SEP> die <SEP> Herstellung <SEP> hochgespannter, <SEP> ruhen der <SEP> Gleicbspannung <SEP> nicht <SEP> anders <SEP> möglich <SEP> ist,
<tb> als <SEP> unter <SEP> Zuhilfennbine <SEP> von <SEP> Iionstruktions clernenten, <SEP> wel;
-be <SEP> die <SEP> Apparatur <SEP> ausserordent lich <SEP> verteuern <SEP> und <SEP> ihre <SEP> Bedienung <SEP> sehr <SEP> ver wiehelt <SEP> gestalten. <SEP> Es <SEP> ist <SEP> also <SEP> eine <SEP> Art <SEP> Noin promiss, <SEP> wenn <SEP> gegenwärtig <SEP> anstatt <SEP> stehender
<tb> Gleichspannung <SEP> pulsierende <SEP> Gleichspannung
<tb> hei <SEP> den <SEP> Röntgenbetrieben <SEP> rliiwendiing <SEP> findet.
<tb> Davon, <SEP> dass <SEP> die <SEP> Spannung <SEP> pulsiert. <SEP> erwartet
<tb> man <SEP> keine <SEP> Vorteile <SEP> für <SEP> die <SEP> Ausbeute.
<SEP> Zu- sammensetzung oder Härte der Strahlung und lässt es dabei bewenden, mit der ge wöhnlichen Frequenz des technischen Weckh- selstromes, beziehungsweise der städtischen Wechselstromnetze (50 bis 60 Perioden, in ganz seltenen Ausnahmefällen 125 Perioden) zu arbeiten.
Neue Untersuchungen des Erfinders ha ben ergeben, dass zwar bei diesen niedrigen Periodenzahlen bereits geringe Abweichun gen von derjenigen Strahlenbeschaffenheit vorhanden sind, welche man bisherigen An schauungen gemäss zu erwarten hat, dass aber diese geringen Abweichungen noch keine nennenswerten Vorteile für die technische Anwendung mit sich bringen.
Erst bei hö heren Frequenzen beobachtet man, dass die Ausbeulte und Härte der Strahlung wächst und es möglich erscheint, auch die Honioge-- nil.;it der Strahlung in dem Sinne zu stei gern, dass dein kurzwelligsten Gebiete des Spektrums sich eine hervorragende Intensi tät zuweisen lässt.
Diese Beeinflussung der Strahlenbeschaffenheit durch die Frequenz der Betriebsspannung hängt damit zusammen, dass die Röntgenstrahlung nicht nur durch den momentanen Zustand des Kathoden strahls - also nicht nur durch die in jedem Zeitpunkte gegebene Geschwindigkeit und Dichte der Elektronen -,sondern auch durch die zeitliche Änderung der einen oder beider genannten Grössen bestimmt wird. Die Aus beute ist eine um so bessere und die Härte eine um so grössere - vorausgesetzt, dass ein bestimmter Geschwindigkeitsbereich der Kathodenstrahlen festgehalten wird -, je plötzlichere zeitliche Änderungen die Ge schwindigkeit und die Dichte der Elektro nen des Kathodenstrahls, beziehungsweise eine dieser Grössen erfahren, und je häufiger solche Änderungen in der Zeiteinheit erfol gen.
In die Sprache einer elektrotechnischen Betriebsvorschrift übertragen, bedeutet das, dass man sich zu bemühen hat, einen Rönt genbetrieb zu verwirklichen, bei welchem die Milliamperezahl in der Röhre, die Kilovolt- zahl an den Röhrenklemmen oder beide möglichst rasche und möglichst häufige zeitliche Änderungen erfahren.
Es kommt also darauf an, einen möglichst steilen Verlauf der Strom- und Spannungs kurven zu wählen und darauf zu achten, dass beide Grössen stets nur eine so geringe Zeitlang. wie irgendwie möglich, unverändert bestehen bleiben, da während der Zeitspanne, w ährend welcher die genannten Grössen kon stant sind, eine geringere Ausbeute an Röntgenstrahlen und eine weniger harte Strahlung entsteht. Das anzustrebende Ideal ist also ein Strom- und Spannungsverlauf, der durch eine steil ansteigende und steil ab fallende, im Scheitel absolut spitze Kurve gegeben ist.
Demnach ist ein Betrieb mit kräftigen Strom- und Spannungsstössen anzustreben. Die Stösse müssen aber ausserdem so häufig wie möglich aufeinander folgen, um ungeach tet der geringen Zeitdauer des einzelnen Stosses eine grosse Gesamt-Strahlenintensität zut liefern. Der beste Röntgenbletrieb wird also dadurch verwirklicht. dass eine möglichst ungedämnpfte Scbwingung von einer erhöhten Frequenz und hoher Amplitude angewandt wird.
Dasjenige, worauf es physikalisch letzten Endes ankommt, ist also eine möglichst rasche Änderung der Elektronengeschwindig keit und ihrer Dichte im Brennfleck. Soll aber die Dichte um bedeutende Werte rasch geändert werden, dann ist es klar, dass es von Vorteil ist, mit möglichst grossen Elek tronendichten, also mit einer tunlichst hohen spezifischen Belastung des Brennfleckes zu arbeiten.
Allerdings ist bereits früher des öfteren versucht worden, mit hochfrequenten Schwin gungen Röntgenstrahlen zu erzeugen, frei lich aus ganz andern Gründen als den durch die obigen Erkenntnisse nahegelegten. Dem entsprechend sind aus jenen Versuchen letz ten Endes auch nicht die hier zu besclhrei- benden vorteilhaften Anordnungen hervor gegangen, sondern etwas wesentlich anderes.
Man erkennt, dlass die Gesichtspunkte, von denen man früher ausging, ihrem Wesen nach vollständig abweichend von denjenigen vorliegender Erfindung waren, schon daraus, dass bei jenen Anordnungen die Schwingung entweder von vornherein gedämpft war oder durch das Einsetzen der Entladung in der Röhre so gut wie aperiodisch gedämpft wurde. Ja, man schuf geradezu geflissentlich An ordnungen, die eine aperiodisch gedämpfte Schwingung lieferten.
Denn die damals be nutzten ,ga@chalti@en <I>Röntgenröhren</I> worden durch die verkehrt gerichtete Spannung (den Fehlwechsel) rasch zerstört, schon allein wegctt der Zerstäubungen, die eine solche verkehrt gerichtete Spannung bewirkte.
Aus diesen früheren Bemühungen ist denn auch tatsiichlicli ein in der Praxis be friedigend arbeitender Röntgenapparat nie mals hervorgegangen. Dass von verschiede nen Seiten ein Anlauf genommen wurde, um mit Schwingun.5c n Röntgenstrahlen zu er zeugen, lag nicht daran, dass man die da mals unbekannte Erhöhung der Ausbeute und der Strahlenhirte eines solchen Betriebes der Allgemeinheit hätte zug;ittglich inachcn wollen;
den Bestrebungen lag vielmehr ein ganz anderer Anlass zugrunde. Es gab da mals zahlreiche für medizinische Zwecke ver wendete Hlochfrequenzapparate, und es wäre sehr erwünscht gewesen, wenn diese Appa rate nebenbei für Röntgenzwecke - wenn auch nur als ein dürftiger Notbehelf - hät ten benutzt werden können.
Als die Hoclhvakuumrölhren (Lilienfeld, Coolidge) in Verkehr kamen, war man be reits weit davon entfernt, an die Schaffung solcher Notbehelfe zu denken. Die Röntgen technik war so weit gediehen, dass von allen Seiten nur nach leistungsfähigen Apparaten gefragt wurde. Dass aber gerade eine her vorragend leistungsfähige Apparatur aus der Verbindung einer Hoclhvalkuumrölhre mnit er höhter Frequenz des Betriebsstromes Aussicht auf eine gewerbliche Anwendung hätte, wurde nicht erkannt.
Und doch bietet der Betrieb einer gas freien Röhre mit erhöhter Frequenz vielleicht die einzige praktische Möglichkeit, die er örterten Vorteile der Frequenzerhö hung tat sächlich nutzbar zu machen. Denn nur die Hochvakuumröhre allein ist so beschaffen, dass sie unter der verkehrt gerichteten Span nung nicht leidet, den Fehlwechsel vielmehr nach Art eines Ventils abschirmt. Ferner machen noch andere Eigenschaften die Hoch- valkuumröhre für den Betrieb mit höheren Frequenzen hervorragend geeignet vom Ge sichtspunkte der eingangs beschriebenen Er kenntnis aus.
Denn in keiner andern Röhre lässt sich der Gang der Kathodenstrahlen und damit die Elektronendichte im Brennfleck derartig nach Belieben formen und auch fest halten ohne Rücksicht auf die durch den Schwingungsvorgang bedingten Unstetigkei ten in der Entladung. In der Tat ist aber ein streng definierter, unverrückbarer Brenn- fleck von bedeutender Elektronenulichte Vor aussetzung des mit hohen Frequenzen erreich baren Erfolges.
Ausser den Zerstäubungsvorgängen, die der Anwendung der gashaltigen Röhre für S 8c hbwingungen im Wege stehen, ist a i ber noch ein anderer nachteiliger Umstand vorhanden, der sich hei Gier gashaltigen Röhre nicht um- gehen lässt, wohl aber bei der Hochvakuum röhre. Betreibt man nämlich die Röntgen röhre nicht -- wie das bei der Hochvakuum röhre an sich möglich und vorteilhaft ist mit einem Hochfrequenz-Maschinengenerator, sondern mit einem Schwingungskreise, so entzieht die Entladung dem Kreis erhebliche Energiemengen und verursacht dadurch eine Dämpfung des Schwingungsvorganges. Die Folge davon ist, dass die Schwingung an nähernd aperiodisch wird. Das verhindert ans den oben auseinandergesetzten Gründen das Zustandekommen eines ökonomischen Betriebes.
Bei der Gasröhre besteht Feine Möglichlkeit, dieser Schwierigkeit zu ent gehen. wohl aber bei der Hoechvakiuumrölhre. indem man den Schwingungskreis nur mit geringer Energieentnahme und nur zu diesem Zweck in Anwendung bringt, um mit seiner Hilfe die eigentliche Rö ntgenentladung, wel che von einer ganz andern Energiequelle ge speist werden kann, zu steuern und ihr einen hochfrequent pulsierenden Charakter zu ver leihen. Wie dies im besonderen Falle aus geführt werden kann, ist im Nachfolgenden gelegentlich der Beschreibung der einzelnen Möglichkeiten, das erfindungsgemässe Ver fahren zu verwirklichen, erläutert.
Allen diesen Möglichkeiten sind aber - den bis- heri gen Auseinandersetzungen zufolge folgende Merkfmnale gemeinsam: Es werden Hochvakuumröhren benutzt und es wird in dem Raume zwischen den strahlungerzeugendenElektroden solcher Röh ren ein mit einer die gewöhnliche Frequenz des technischen Wechselstromes (bis 125 se- kundcllich) überschreitenden Frequenz schwin gendes Feld angeordnet, so dass der Kathoden- trald hinsichtlich seiner Entstehungsbedin gungen.
bezelhungsweise auf der Bahn, auf welcher er sich fortbewegt, dem Einfluss die ses achwin@,@enden Feldes unterworfen ist.
Die Erfindung besteht also in einem Verfahren zur Erzeugung von Röntgen strahlen mit dein neuen Kennzeichen, dass ii;nerlialb einer Röhre extremen Tiefdruckes in dein Rauin. in weleliem eine Entladung bestellt. ein finit einer die -ewöhnliche Fre- quenz des technischen Wechselstromes (bis 1M sekundlich) überschreitenden Frequenz schwingendes Feld derartig angeordnet ist, dass dem auf den Brennfleck aufprallenden,
in seinem Verlaufe zwischen Kathode und Antikathode beschleunigten Kathodenstrahl sich zeitliche Änderungen im Takte der er höhten Frequenz übertragen.
Die eine Ausführungsform des Verfah rens besteht darin, die zwischen Kathode und Antikathode angelegte Spannung mit er höhter Frequenz pulsieren zu lassen, so dass man die Entladung in der Röntgenröhre di rekt von einem entsprechenden Maschinen generator, beziehungsweise einem mit Poul- senbogen, Senderöhren, Löschfunkenstrecken usw. betriebenen Schwingungskreise speist. Diese Möglichkeit bedarf keiner weiteren Erläuterungen und zeichnerischer Darstel lungen.
Ausser dieser ersten Ausführungsform des Verfahrens bestehen noch weitere Mög lichkeiten, es zu verwirklichen; ihnen allen ist Glas Merkmal gemeinsam, dass der Schwingungskreis lediglich zum Steuern des eigentlichen Entladungsvorganges dient, so dass ihm seitens der Röntgenröhre verhältnis mässig wenig Energie entzogen wird.
Eine dieser weiteren Ausfuihruugsformen ist in Fig. 1 verwirklicht. Die Figur stellt eine Lilienfeldröhre dar. Die Entladung im Zündkreise der Röhre, also zwischen der vom Heiztransformator H gespeisten Glühlampe G und der Bohrung der Lochkathode K, wird von einem Schwingungsbreis aufrechterhal ten, und zwar etwa derart, dass die Enden einer Selbstinduktionsspule L2 an die Glüh lampe und die Lochkathode angeschlossen sind, Wälhrend durch induktive Einwirkung seitens der Spule L1 den Spulenenden eine E. M. K. erteilt wird, die mit höherer Fre qluenz schwingt.
Zwvischen Loclhkathode F und Antilkathode A liegt eine ruhende oder mit der Frequenz des technischen Wechsel- strolnes pulsierende, vom Röntgentransforma tor TR gelieferte Spannung. Da nun die Röntgenentladung durch die Lilienfeldröhre behannt7ich nur dann ihren Weg .findet, wenn gleichzeitig die Zündentladung besteht, so überträgt sich der Schwingungsvorgang der Zündteile auch auf die Röntgenentladung, wodurch die erfindungsgemässen Vorteile ge währleistet werden.
Eine Abart der in Fig. 1 angegebenen Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier. wird der Schwingungsvorgang nicht von einem besonders gespeisten Schwingungs kreise dem Zündfelde der Lilienfeldröhre aufgedrückt, sondern es ist dieser Zündteil selbst ähnlich wie die zur Schwingungs erregung in der drahtlosen Telegraphie an gewendeten Glüilhlkathocdenröhren (Senderöhren) ausgebildet. Zu diesem Zweck ist eine Netz elektrode N zwischen Glühlampe G und Lochkathode h vorgesehen. Als Schaltung kann eine jede in der drahtlosen Telegraphie für den Betrieb von schwingungserregenden Röhren (Senderöhren) gebräuchliche Schal tung benutzt werden.
Diese Schaltungen be zwecken es bekanntlich, der Netzelektrode eine schwingende Spannung aufzudrücken und dadurch den Entladungsvorgang, wel cher zwischen der Glühlampe und der Anode vor sich geht, einen schwingenden Charakter zu verleihen. In dem in der Figur dargestell ten Falle geschielht die Mitteilung der schwin genden Spannung an die Netzeleltrode auf induktivem Wege, und zwar dadurch, dass auf die zwischen Glühlampe und Netzelek trode liegende Selbstindulztionsspule L, durch magnetische Kupplung die Schwingung über tragen Wird, welche beim Erregen des Trans formators T2 in dem aus der Selbstinduk tionsspule L2 und der Kapazitäit C bestehren den Schwingungskreis ausgelöst wird. Diese Art der Mitteiltnug einer Schwingung an die Netzelektrode pflegt allgemein Rückkoppe lung genannt zu werden.
TZ ist der in die- scmu Falle konphas mit demn Röntgenröhren- transformater Tü zu betreibende, ,den Züud- lireis speisende Transformator, welcher über die Selbstinduktionsspule L@ an der Glüh lampe G liegt, anderseits aber direkt mit der Lochkathode h verbanden 'ist.
Die Selbst- induktionsspule L= ist mit Hilfe der Kapa zität C zu einem Schwingungskreis erg;inzt und ist anderseits mnit einer Selbstinduktions spule L1 gekoppelt, welche eine schwin gende Spannung zwischen der Glühlampe G und der Netzelektrode N aufrecht erhält und dadurch in der an sich bekannten Weise die Enitstelhung der Schwingung veranlasst.
Eine dritte Ausführungsform des Ver fahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird der Kathodenstrahl, welcher an der mit K bezeichneten Stelle entsteht, stufenweise be- schleunigt. Das den Kathodenstrahl beschleu nigende Feld ist nämlich mit Hilfe der Blende B so unterteilt, dass der Kathoden- strahl zwischen K und B durch eine ent sprechende Spannung zwischen K und B die erste geringeBeschleunigung erfälhrt,dann aber zwischen B und A endgültig durch eine grössere Spannung zwischen B und A auf seine volle Ge- sclhwindigkeit beschleunigt wird.
Zwischen h und B befinden sich die beiden Ahlen- kungsplattcn P1 und P2 zwischen welchen eine hochfrequent sclhwingende E. M. K. auf recht erhalten wird. Dadurch wird verursacht, dass, wenn gewisse Spannungsdifferenzen zwischen P1 und P2 bestehen, der Kathoden strahl abgelenkt wird und auf die Blende B fällt, während zu andern Zeitpunkten der Kathodenstrahl frei durch die Offnung in B hindurchtritt und aulf die Antikathode A gelangt. Dadurch wird eine fmnit erhöhter Frequenz lpulsierendle Belastung des Brenn- fleckes, also auch die erfindungsgemässe Aus lösung der Röntgenstrahlung, bedingt.
Selbst verständlich kann die Beschleunigung des Kathodenstrahls, anstatt in den zwei Stufen K B und B A, noch in drei oder noch melh- reren ebensolchen Steifen erfolgen. Ferner kann an Stelle des elektrostatischen. zwi schen P1 P2 schwvingenden Feldes ein elektro magnetisches angeordnet werden, einfach, indem die Röhre in die Nähe einer Spule oder zwischen zwei Spulen gebracht wird, welche von dem Strome höherer Frequenz durchflossen werden. Dann erfolgt die Ab lenkung des Kathodenstrahls in demn elektro magnetischen Wechselfelde.
Die Aufrechterhaltung der zur stufen weisen Beschleunigung des Kathodenstrahls erforderlichen Spannungen kann durch ver schiedene Schaltanordnungen verwirklicht werden. In der Figur ist eine der möglichen Schaltungen angedeutet. Die Sekundärspule des Röntgentransformators TR ist in zwei ungleiche Teile unterteilt. Die eine, kleinere Unterteilung liefert den Spannungsabfall in der ersten Beschleunigungsstufe des Katho denstrahls, also zwischen K und B. Die randere, grössere Unterteilung liefert die Spannung zwischen B und A. Die schwin gende Potentialclifferenz zwischen P1 und P2 wird von der Selbstinduktionsspule L2 ge liefert, in welcher eine entsprechend schwin gende E. M. K. von der mnit einem nicht nä her angedeuteten Schwingungskreise zusam menhängenden Spule L1 induziert wird.
Die Verbindung zwischen dem Röntgentransfor mator TR und der Spule L2 kann in der aus der Figur ersichtlichen Weise hergestellt -erden, indem der Teilpunkt des Transfor mators TI mit dem Mittelpunkte S von L, verbunden wird; es bestehen aber offenbar auch andere Schaltungsmöglichkeiten.