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EP1537594B1 - Hochspannungs-vakuumröhre - Google Patents

Hochspannungs-vakuumröhre Download PDF

Info

Publication number
EP1537594B1
EP1537594B1 EP02754109A EP02754109A EP1537594B1 EP 1537594 B1 EP1537594 B1 EP 1537594B1 EP 02754109 A EP02754109 A EP 02754109A EP 02754109 A EP02754109 A EP 02754109A EP 1537594 B1 EP1537594 B1 EP 1537594B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
annular insulator
insulator
vacuum tube
high voltage
voltage vacuum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02754109A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1537594A1 (de
Inventor
Kurt Holm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Comet Holding AG
Original Assignee
Comet Holding AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Comet Holding AG filed Critical Comet Holding AG
Priority to AT02754109T priority Critical patent/ATE316690T1/de
Publication of EP1537594A1 publication Critical patent/EP1537594A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1537594B1 publication Critical patent/EP1537594B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/16Vessels; Containers; Shields associated therewith

Definitions

  • the present invention relates to high-voltage vacuum tubes in which an anode and a cathode in a vacuumized interior are arranged opposite to each other and which vacuumized interior is enclosed by a cylindrical metal housing, wherein the anode and / or the cathode are electrically insulated by means of an annular insulator.
  • the invention relates to high voltage vacuum tubes for use as x-ray tubes.
  • X-ray tubes are used in a variety of fields, such as for the production of X-rays for medical examinations and in the industrial sector to screen items such as luggage or transport containers at airports, customs clearance and the like for testing facilities and buildings, eg Betonarmtechniken in bridges, etc.
  • X-ray sources have become indispensable.
  • the reliability and lifetime of X-ray tubes plays a crucial role. At the same time, especially when illuminating objects ever higher performance is required. Higher powers, however, affect the life and reliability of the tubes.
  • X-ray tubes that provide the required performance usually comprise an anode and a cathode, which are arranged opposite one another in a vacuumized inner space and which are enclosed by a cylindrical metal part.
  • Anode and / or cathode are electrically insulated by means of an annular ceramic insulator, wherein the ceramic insulators or are arranged axially to the metal cylinder behind the anode and / or cathode and decide the vacuum space on the respective end.
  • the ceramic insulators have in their middle of the disc an opening into which a high voltage supply, the anode or the cathode are used vacuum-tight.
  • This type of x-ray tube is also referred to in the art as bipolar x-ray tubes.
  • shielding electrodes In disc-shaped insulators, it is therefore known from the prior art, for example from DE2855905, to use so-called shielding electrodes.
  • the shielding electrodes can be used, for example, in pairs, wherein they are usually arranged coaxially at a certain distance in a rotationally symmetrical shape of the x-ray tube in order to optimally prevent the propagation of the secondary electrons.
  • such devices can no longer be used at very high voltage.
  • the material and manufacturing costs in such structures is greater than in X-ray tubes with only insulators.
  • Another possibility of the prior art is shown for example in DE6946926. In order to reduce the attack surface, a conical ceramic insulator is used in these solutions.
  • the ceramic insulator has a substantially constant wall thickness and is coated for example with a vulcanized rubber layer.
  • the electric field inside the vacuum space also includes the surfaces of the insulators. Particularly in the case of conical insulators, the field causes an electron impinging on the insulators or a scattered electron triggered by an impinging electron in Accelerated toward the anode. A single electron will hardly cause a disturbance. If the anode-side insulator, like the cathode-side insulator, is designed as a truncated cone protruding into the interior, then an electron impinging on the insulator (for example an electron triggered from the metal piston) is likewise accelerated towards the anode.
  • the high-voltage vacuum tubes are intended, inter alia, for use as X-ray tubes for screening of luggage and / or transport containers, etc., and should meet the industrial requirements required there.
  • annular insulator comprises a cylindrical portion and formed in the direction of the vacuumized inner space hump-shaped simply curved, wherein the curvature in the direction of vacuumized inner space with respect to the rotational symmetry axis of the annular insulator inclined front portion and two side regions, wherein the inclined front portion of the annular insulator of the anode is inclined toward the disk center of the annular insulator, and wherein the inclined front portion of the annular insulator of the cathode away from the disk center of the annular insulator gene is eigt.
  • the curvature is essentially characterized by angles ⁇ , ⁇ and ⁇ of a shortened side area, an elevated side area, and the front area, wherein the angle ⁇ between the axial direction of the annular insulator and the elevated side area is between 10 ° and 25 °, and wherein Angle ⁇ of the front portion to the perpendicular to the axial direction of the annular insulator is between 10 ° and 25 °, and wherein the angle ⁇ between the shortened side portion to the axial direction of the annular insulator is between 10 ° and 25 °.
  • the insulator (s) according to the invention can optionally be either only cathode-side, or only on the anode side or on both sides, ie on the side of the anode and on the side of the cathode, be formed.
  • Each side region of an insulator is tilted to the respective negative electrode and extends over a larger area in its vicinity.
  • the wall of the cylindrical metal housing forms the negative electrode with respect to the insulator
  • the metallic outer wall of the cathode forms the negative electrode with respect to the insulator.
  • the connection point between the respective negative electrode and the corresponding insulator is referred to as a negative triple point.
  • the high voltage vacuum tube can be used, for example, as an X-ray tube.
  • the above-mentioned embodiment has the advantage that during operation by the resulting electric field, an extraordinarily high stability of the tube is achieved, without resulting in openings of the insulator on the anode side and / or cathode side, gas eruptions and / or other disturbances.
  • the tube can be operated at much higher voltages and smaller or more compact design than conventional tubes.
  • the mass of the tube and the voltage on the insulator are in direct relation to each other. The smaller the construction, the greater must be the dielectric strength of the insulator at the electrode.
  • the advantages of a smaller and more compact design for such tubes is obvious. Smaller and more compact tubes are cheaper to produce, less heavy and easier to handle.
  • the special shape of the insulators is that a critical part of the tube, namely the negative triple point, on which, as mentioned, the negative metal electrode, the ceramic and the vacuum collide, and the predominantly the emission of electrons favors, is electrically shielded. As a result, the electron emission is suppressed.
  • this triple point On the cathode side, this triple point is located in the solder joint between the insulator and the high voltage supply in the center of the insulator.
  • the trip point lies in the soldering connection between the outer circumference of the insulator and the cylindrical metal housing. The shielding is done by a forced charging of the ceramic in the vicinity of the negative triple point by emitted electrons.
  • the shape of the insulator initially creates a very high field in the region of the triple point, which already at lower Voltages (eg, during a start-up phase of operation of the tube) are sufficient to release electrons from the metal. These electrons charge the ceramic so far that the electric field in this area is reduced so that the electron emission comes to a standstill.
  • the special shape of the insulator prevents the electrons from reaching the positive counterelectrode via the ceramic or the vacuum. This stabilizes the condition. Due to the inclined front side is additionally achieved that Electrons which are released from the negative metal electrode at high voltage outside the above-mentioned region, pass directly to the positive electrode through the vacuum and are not accelerated onto the ceramic surface. This avoids an avalanche-like multiplication of the free electrons and thus a violent flashover by secondary electrons on the ceramic surface.
  • the non-trivial shape of the insulator can thus significantly increase the dielectric strength and the life of the vacuum tube.
  • the three regions of the curvature can each have a tangential transition radius of 1 to 7 mm.
  • This variant has u.A. the same advantages as the previous embodiment.
  • high-voltage vacuum tubes with voltages of more than 200 kV can be operated on the isolator, without resulting in interference or failure by secondary electrons.
  • Such tubes can be built at the mentioned voltage at maximum diameters of the insulators of 150mm, which brings the mentioned advantages concerning manufacturing and transportation costs etc., weight and manageability.
  • the annular insulator between the elevated side region and the front region inclined with respect to the perpendicular to the axial direction of the annular insulator comprises a fourth region which is substantially perpendicular to the axis of the annular insulator in the direction of the vacuumized interior and that of the elevated side region and the front region has a tangential transition radius of 1 to 7 mm.
  • This variant has, inter alia, the same advantages as the previous embodiment.
  • high-voltage vacuum tubes with voltages of more than 200 kV can be operated on the isolator, without resulting in interference or failure by secondary electrons.
  • the raised side area protrudes at least 2 times further than the shortened side area into the vacuumized interior space.
  • This variant has u.A. the advantage that the inclination of the front surface away from the negative electrode is so large that no secondary electrons can be generated on the ceramic surface by cold emission of the negative electrode. This prevents violent discharges, which can lead to permanent damage to the insulator.
  • the raised side portion has a tapered spout against the axial direction of the annular insulator, and / or the shortened side portion has a tapered spout against the axial direction of the annular insulator.
  • This variant has u.a. the advantage that the electric field at the solder joints for fixing the annular insulator at the anode or cathode or on the cylindrical metal housing can be minimized.
  • the annular insulator consists essentially of an insulating ceramic material.
  • the ceramic material may for example consist of at least 95% Al 2 O 3 .
  • This embodiment variant has the advantage, inter alia, that the ceramic material is particularly suitable as an insulator for the very high electric fields with regard to its stability against stress or breakdowns.
  • the cathode comprises on the outer wall against the annular insulator an electropolished and / or mechanically polished metal cylinder. This has u.a. the advantage that the dielectric strength can be increased and breakdowns can be prevented.
  • the high-voltage vacuum tube 9 comprises a power supply device, by means of which Operating voltages of at least 200 kV can be applied to the insulator.
  • This variant has the advantage that it can provide the required performance for special applications in industry, such as the illumination of transport containers at customs and airports.
  • FIG. 6 and Figure 8 illustrate a high voltage vacuum tube or method for a high voltage vacuum tube, as may be used in the practice of the invention.
  • an anode 3 and a cathode 4 in a vacuumized inner space 6 are arranged opposite to each other.
  • the vacuumized interior 6 is enclosed by a cylindrical metal housing 1.
  • the cylindrical metal housing 1 may for example have a minimum wall thickness of 2mm. It is also conceivable that the cylindrical metal housing 1 is electropolished against the vacuumized interior 6 and / or mechanically polished.
  • the anode 3 and / or the cathode 4 are electrically insulated by means of an annular insulator 21/22.
  • the annular insulator 21/22 may substantially consist, for example, of an insulating ceramic material.
  • a ceramic material for example ceramic material of at least 95% Al 2 O 3 is conceivable.
  • a single or multiple layer of an alloy can be sintered onto the ceramic.
  • the alloy may comprise, for example, a MoMnNi alloy.
  • the average roughness (Ra) of the annular ceramic insulator can be, for example, around 1.6 ⁇ m.
  • annular ceramic insulator is smooth or mechanically polished.
  • a pressing pressure of at least 1000 bar can be used.
  • the annular insulator 21/22 comprises a cylindrical part 23/24 and in the direction of vacuumized inner space 6 hump-shaped is simply curved.
  • the curvature in the direction of the vacuumized inner space 6 comprises an inclined front region 31 and two side regions 30/33.
  • the inclined front portion 31 of the annular insulator 22 of the anode 3 is inclined to the axis through the disk center 7 of the insulator 22, while the inclined front portion 31 of the annular insulator 21 of the cathode 4 is inclined away from the axis by the disk center 7 of the annular insulator 21 ,
  • the curvature can be characterized, for example, essentially by the angles ⁇ , ⁇ and ⁇ of a shortened side area 30, of an elevated side area 33, and of the front area 31.
  • the angle ⁇ between the axial direction 7 of the annular insulator 21/22 and the shortened side region 30 is preferably between 10 ° and 25 ° and the angle ⁇ of the front region 31 to the perpendicular 8 to the axial direction 7 of the annular insulator 21/22 is preferably between 10 ° and 25 °.
  • the angle ⁇ between the excessive side region to the axial direction 7 of the annular insulator 21/22 is finally preferably between 10 ° and 25 °.
  • the three areas 30/31/33 can each have a tangential transition radius R1 / R3 of eg 3 to 7 mm.
  • the elevated side region 33 projects at least 2 times further than the shortened side region 30 into the vacuumized interior space 6.
  • the front surface of the insulator is tilted such that it can not be struck by electrons from the negative electrode.
  • the negative triple point in the soldering connection between the insulator 21 and the high voltage supply in the center of the annular insulator ie the outer wall 411 of the cathode 4.
  • the anode side is the negative triple point in the solder joint between the outer circumference of the annular Insulator 22 and the cylindrical metal housing 1. Therefore, the outer wall 311 of the anode is less critical with respect to the mentioned electron effects.
  • the cathode 4 can on its Outer wall 411 against the annular insulator 21 an electropolished and / or mechanically polished metal cylinder 412 include.
  • the non-trivial shape of the insulator 21/22 can significantly increase the withstand voltage and life of the vacuum tubes.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show a possible course of the equipotential lines 40 on the side of the anode 3 or on the side of the cathode 4 when the operating voltage is applied.
  • the humpback shape of the insulator 21/22 influences the course of the field lines to such an extent that on the side of the superelevated area at the lower part of the surface 33, an area of high field strength initially arises. As a result, electrons are released from the adjacent metal electrode, which electrostatically charge the ceramic in this area. Charging reduces the electric field in this area. This prevents further electron emission and sustainably improves the high-voltage behavior of the tube.
  • the annular insulator 21/22 comprises a fourth region 32 between the over-elevated region 33 and the front region 31 inclined with respect to the axial direction 7 of the annular insulator 21/22.
  • This fourth region 32 is substantially perpendicular to the axis 7 of the annular insulator 21/22 in the direction of vacuumized interior 6.
  • the fourth area 32 may have for example a tangential transition radius R2 / R3 of 3 to 7 mm for the elevated area 33 and for the front area 31.
  • the high-voltage vacuum tube 9 comprises a power supply device, by means of which operating voltages of at least 200 kV can be applied to the insulator, then the high-voltage vacuum tube 9 for special applications in industry, such as the transillumination of transport containers at customs and airports, etc. with the There required power is particularly suitable.
  • the high-voltage vacuum tube 1 can be used in this application, in particular as an X-ray tube. It is clear that the high-voltage vacuum tube 9 according to the invention is particularly suitable for use as an X-ray tube in every application.
  • a high-voltage vacuum tube 9 does not necessarily have the insulator 21/22 according to the invention on both sides, i. at the anode 3 and the cathode 4, must include. On the contrary, it is quite possible that the insulator 21/22 is given only at one of the electrodes 3/4, while the other electrode 3/4 has a different shaped insulator or none at all. Also, depending on the arrangement of the high voltage vacuum tube 9, it may be useful, e.g. To add an electron curtain 5 for reducing secondary electrons of the device. It should also be added that the x-ray tube according to the invention is particularly suitable for use in a baggage screening device. Especially fluoroscopic devices for transport containers and / or transport containers are with their high demand for radiation power to the ideal application areas for the invention according to high voltage vacuum tubes or X-ray tubes.
  • FIG. 1 to 4 show schematically examples of prior art X-ray tubes.
  • the annular insulators 10/11/12/14 are staggered 101 stepped against the cylindrical metal housing 1 and / or against the electrode 2, with increase 110/120 and / or single or multiple recesses 111/121/141 and / or bulges 122nd
  • the annular insulator 14 is identical on the sides of the anode 3 and the cathode 4, respectively.
  • an electron curtain 5 may be located to further reduce any stray electrons.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of an X-ray tube of the prior art.
  • the insulator 15 is conically applied to the wall of the holder of the electrode 2 (anode or cathode). At the same time, the cylindrical metal housing 1 tapers towards the electrode. In particular, such embodiments are no longer suitable for high voltages, since they become unstable against secondary electrons at high voltages.

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Hochspannungs-Vakuumröhren, bei welchen eine Anode und eine Kathode in einem vakuumisierten Innenraum einander gegenüberliegend angeordnet sind und welcher vakuumisierte Innenraum durch ein zylindrisches Metallgehäuse umschlossen ist, wobei die Anode und/oder die Kathode mittels eines ringförmigen Isolators elektrisch isoliert sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Hochspannungs-Vakuumröhren zur Verwendung als Röntgenröhren.
  • Es gibt heute viele bekannte Verfahren zur Herstellung von Röntgenröhren. Röntgenröhren werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, so z.B. zur Erzeugung von Röntgenstrahlen für medizinische Untersuchungen und im industriellen Bereich zum Durchleuchten von beispielsweise Gepäckstücken oder Transportcontainern auf Flughäfen, bei der Zollabfertigung u.A. und zum Testen von Anlagen und Bauten, z.B. Betonarmierungen bei Brücken etc., sind Röntgenstrahler nicht mehr wegzudenken. Bei all diesen Anwendungen spielt die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Röntgenröhren einen entscheidenden Faktor. Gleichzeitig werden gerade beim Durchleuchten von Gegenständen immer höhere Leistungen gefordert. Höhere Leistungen beeinflussen jedoch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Röhren. Röntgenröhren, die die geforderten Leistungen bringen, umfassen im Stand der Technik meistens eine Anode und eine Kathode, die in einem vakuumisierten Innerraum einander gegenüberliegend angeordnet sind und die von einem zylindrischen Metallteil umschlossen sind. Anode und/oder Kathode werden dabei mittels eines ringförmigen Keramikisolators elektrisch isoliert, wobei der oder die Keramikisolatoren axial zum Metallzylinder hinter der Anode und/oder Kathode angeordnet sind und den Vakuumraum auf dem jeweiligen Ende beschliessen. Die Keramikisolatoren besitzen in ihrer Scheibenmitte eine Öffnung, in die eine Hochspannungszuführung, die Anode oder die Kathode vakuumdicht eingesetzt sind. Diese Art von Röntgenröhren wird im Stand der Technik auch als zweipolige Röntgenröhren bezeichnet. Beim Betrieb einer Röntgenröhre treten neben der erwünschten Erzeugung von Röntgenstrahlen weitere physikalische Effekte auf, wie z.B. Feldemission, Sekundärelektronenemission und Photoeffekt. Diese Effekte stören die Funktion der Röntgenröhre und können zu einer Beeinträchtigung des Materials und damit zu einer vorzeitigen Ermüdung der Teile führen. Insbesondere die Sekundärelektronenemission ist bekannt für die Beeinträchtigung des Röntgenröhrenbetriebs. Bei der Sekundärelektronenemission entstehen beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf der Anode neben den Röntgenstrahlen unerwünschte Sekundärelektronen, die sich im Inneren der Röntgenröhre auf Bahnen entsprechend den Feldlinien fortbewegen. Sekundärelektronen entstehen jedoch auch dadurch, dass die Isolatoren bei der Anode und/oder Kathode bei Betrieb von unvermeidbaren Feldemissionselektronen getroffen werden und dort Sekundärelektronen auslösen. Das elektrische Feld wird bei eingeschalteter Hochspannung an der Anode und Kathode, d.h. bei Betrieb der Röntgenröhre, in Innenraum und den dem Innenraum zugewandten Oberflächen erzeugt. Dies umfasst auch die Oberflächen des Isolators. Je kürzer die Röntgenröhre ist und je breiter der Keramikisolator ist, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sekundärelektronen und/oder Feldemmissionselektronen auf den oder die Keramikteile auftreffen. Dies führt dazu, dass die Hochspannungsfestigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung auf unerwünschte Art herabgesetzt wird. Bei scheibenförmigen Isolatoren ist es deshalb aus dem Stand der Technik, z.B. aus DE2855905 bekannt, so genannte Abschirmelektroden zu verwenden. Die Abschirmelektroden können z.B. paarweise verwendet werden, wobei sie bei einer rotationssymmetrischen Gestalt der Röntgenröhre meist koaxial in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, um die Ausbreitung der Sekundärelektronen optimal zu unterbinden. Wie sich gezeigt hat, können solche Vorrichtungen jedoch bei sehr hoher Spannung nicht mehr verwendet werden. Zudem ist der Material- und Herstellungsaufwand bei solchen Konstruktionen grösser, als bei Röntgenröhren mit nur Isolatoren. Eine andere Möglichkeit des Standes der Technik wird z.B. in DE6946926 gezeigt. Um die Angriffsfläche zu verringern, wird in diesen Lösungen ein konischer Keramikisolator verwendet. Der Keramikisolator weist eine im wesentlichen konstante Wandstärke auf und ist z.B. mit einer aufvulkanisierten Gummischicht überzogen. Wie erwähnt umfasst das elektrische Feld im Innern des Vakuumraums ebenfalls die Oberflächen der Isolatoren. Insbesondere bei konischen Isolatoren wird durch das Feld ein auf den Isolatoren auftreffendes Elektron oder ein durch ein auftreffendes Elektron ausgelöstes Streuelektron in Richtung Anode beschleunigt. Ein einzelnes Elektron wird dabei kaum eine Störung hervorrufen. Ist der anodenseitige Isolator wie der kathodenseitige Isolator als in den Innenraum hineinragender Kegelstumpf ausgebildet, dann wird ein auf den Isolator auftreffendes (beispielsweise ein aus dem Metallkolben ausgelöstes) Elektron ebenfalls zur Anode hin beschleunigt. Anodenseitig bewegt es sich jedoch auf der Isolatoroberfläche entlang, weil es kein von der Isolatorfläche wegweisendes elektrisches Feld vorfindet. Nach Durchlaufen einer gewissen Strecke hat ein solches Elektron genügend Energie, um weitere Elektronen auszulösen, die ihrerseits wiederum Elektronen auslösen, so dass es zu einer auf der Isolatorenoberfläche zur Anode laufenden Elektronenlawine kommt, die eine erhebliche Störung, unter Umständen auch Gasausbrüche oder gar einen Durchschlag des Isolators hervorrufen kann. Je höher die Spannung ist, desto signifikanter wird dieser Effekt. Bei sehr hohen Spannungen kann diese Art der Isolatoren deshalb nicht mehr eingesetzt werden. Kathodenseitig tritt dieser Effekt weniger auf, da Elektronen, die kathodenseitig auf die Isolatoroberfläche gelangen oder aus dieser ausgelöst werden, sich durch das Vakuum in Richtung Metallzylinder und nicht entlang der Isolatoroberfläche bewegen. Um den Nachteil am Anodenteil zu umgehen, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt. Z.B. wird in der Offenlegungsschrift DE2506841 vorgeschlagen, kathodenseitig den Isolator derart auszugestalten, dass zwischen dem Isolator und der Röhre ein konischer Hohlraum entsteht. Eine andere Lösung des Standes der Technik wird z.B. in der Patentschrift EP0215034 gezeigt, wo der scheibenförmige Isolator gegen den Metallzylinder hin treppenförmig abgestuft ist. Eine weitere Lösung des Standes der Technik wird im Patent US5402464 gezeigt, wo der Isolator trapezförmig ausgestaltet ist und von einer gewölbten Metallmanschette in einen inneren und einen äusseren Teil geteilt wird. Eine weiter Lösung des Standes der Technik wird in der Patentschrift DE19800766 gezeigt, wo der ringförmige Isolator (1) der kathode einem Zylindrischen Teil umfasst und in Richtung das Innenraums der Röhre buckelförmig einfach gewölbt ist, mit einem geneigten Frontbereich, einem verkürzten Seitenbereich und einem überhöhlen Seitenbereich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass all die im Stand der Technik gezeigten Lösungen bei hohen Spannungen, d.h. beispielsweise über 150 kV, Störungen aufweisen, die u.a. zu einer vorzeitigen Alterung des Materials führen und Gasausbrüche und/oder Durchbrüche des Isolators erzeugen können. Somit sind die im Stand der Technik bekannten Isolatoren für viele moderne Anwendungen der Röntgenröhren mit sehr hohen Spannungen (>200 kV) nur schlecht verwendbar.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, neue Isolatoren für Hochspannungs-Vakuumröhren und ein Verfahren zur Herstellung solcher Isolatoren vorzuschlagen, die die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll auch bei sehr hohen Spannungen bei kleiner oder kompakter Bauweise eine lange Lebensdauer und ein störungsfreier Betrieb garantiert sein. Die Hochspannungs-Vakuumröhren sind u.a. zur Verwendung als Röntgenröhren zum Durchleuchten von Gepäckstücken und/oder Transportcontainern etc. gedacht und sollen den dort benötigten industriellen Ansprüchen genügen.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele insbesondere durch die Elemente der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Insbesondere werden diese Ziele dadurch erreicht, dass bei einer Hochspannungs-Vakuumröhre eine Anode und eine Kathode in einem vakuumisierten Innerraum einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass der vakuumisierte Innenraum durch ein zylindrisches Metallgehäuse umschlossen ist, und dass die Anode und/oder die Kathode mittels eines ringförmigen Isolators elektrisch isoliert sind, wobei der ringförmige Isolator einen zylindrischen Teil umfasst und in Richtung des vakuumisierten Innerraums buckelförmig einfach gewölbt ausgebildet ist, wobei die Wölbung in Richtung vakuumisierten Innerraum einen bezüglich der Rotationsymmetrieachse des ringförmigen Isolators geneigten Frontbereich und zwei Seitenbereiche umfasst, wobei der geneigte Frontbereich des ringförmigen Isolators der Anode zum Scheibenzentrum des ringförmigen Isolators hin geneigt ist, und wobei der geneigte Frontbereich des ringförmigen Isolators der Kathode vom Scheibenzentrum des ringförmigen Isolators weg geneigt ist. Die Wölbung wird im Wesentlichen durch Winkel α, β und γ eines verkürzten Seitenbereiches, eines überhöhten Seitenbereiches, sowie des Frontbereichs charakterisiert, wobei der Winkel α zwischen der Achsenrichtung des ringförmigen Isolators und dem überhöhten Seitenbereich zwischen 10° und 25° liegt, und wobei der Winkel β des Frontbereichs zur Senkrechten auf die Achsenrichtung des ringförmigen Isolators zwischen 10° und 25° liegt, und wobei der Winkel γ zwischen dem verkürzten Seitenbereich zur Achsenrichtung des ringförmigen Isolators zwischen 10° und 25° liegt. Insbesondere kann der(die) Isolator(en) erfindungsgemäss wahlweise entweder nur kathodenseitig, oder nur anodenseitig oder beidseitig, d.h. auf Seiten der Anode und auf Seiten der Kathode, ausgebildet sein. Jeweils ein Seitenbereich eines Isolators ist zur jeweiligen negativen Elektrode hingeneigt und verläuft über einen grösseren Bereich in dessen Nähe. Bei der Anode bildet die Wand des zylindrischen Metallgehäuses die negative Elektrode bezüglich des Isolators, während bei der Kathode die metallische Aussenwand der Kathode die negative Elektrode bezüglich des Isolators bildet. Der Verbindungspunkt zwischen der jeweiligen negativen Elektrode und dem entsprechenden Isolator wird als negativer Tripelpunkt bezeichnet. Die Hochspannungs-Vakuumröhre kann z.B. als eine Röntgenröhre verwendet werden. Die oben erwähnte Ausführung hat den Vorteil, dass beim Betrieb durch das entstehende elektrische Feld eine ausserordentlich hohe Stabilität der Röhre erreicht wird, ohne dass es zu Durchbrüchen des Isolators anodenseitig und/oder kathodenseitig, Gasausbrüchen und/oder anderen Störungen kommt. Gleichzeitig kann die Röhre bei viel höheren Spannungen und kleinerer bzw. kompakteren Bauweise als herkömmliche Röhren betrieben werden. Die Masse der Röhre und die Spannung am Isolator stehen in einer direkten Beziehung zueinander. Je kleiner die Bauweise, desto grösser muss die Spannungsfestigkeit des Isolators an der Elektrode sein. Die Vorteile einer kleineren und kompakteren Bauweise für solche Röhren liegt auf der Hand. Kleiner und kompaktere Röhren sind billiger herzustellen, weniger schwer und einfacher zu handhaben. Dies betrifft z.B. insbesondere eventuell notwendige Bleiabschirmungen etc. Durch die spezielle Form der Isolatoren wird erricht, dass ein kritischer Teil der Röhre, nämlich der negative Tripelpunkt, an dem, wie erwähnt, die negative Metallelektrode, die Keramik und das Vakuum zusammenstossen, und der vornehmlich die Emission von Elektronen begünstigt, elektrisch abgeschirmt wird. Dadurch wird die Elektronenemission unterdrückt. Auf der Kathodenseite befindet sich dieser Tripelpunkt in der löttechnischen Verbindung zwischen dem Isolator und der Hochspannungszuführung im Zentrum des Isolators. Auf der Anodenseite hingegen liegt der Tripetpunkt in der löttechnischen Verbindung zwischen dem Aussenumfang des Isolators und dem zylindrischen Metallgehäuse. Die Abschirmung geschieht durch eine erzwungene Aufladung der Keramik in der Umgebung des negativen Tripelpunktes durch emittierte Elektronen. Durch die Formgebung des Isolators entsteht zunächst ein sehr hohes Feld im Bereich des Tripelpunktes, welches schon bei tieferen Spannungen (z,B. während einer Startphase des Betriebs der Röhre) ausreicht, Elektronen aus dem Metall herauszulösen. Diese Elektronen laden die Keramik so weit auf, dass das elektrische Feld in diesem Bereich derart reduziert wird, dass die Elektronenemission zum Erliegen kommt. Die spezielle Form des Isolators verhindert, dass die Elektronen über die Keramik oder durch das Vakuum auf die positive Gegenelektrode gelangen können. Dadurch wird der Zustand stabilisiert. Durch die geneigte Frontseite wird zusätzlich erreicht, dass Elektronen, die bei hoher Spannung ausserhalb des oben erwähnten Gebietes aus der negativen metallischen Elektrode herausgelöst werden, direkt durch das Vakuum zur positiven Elektrode gelangen und nicht auf die Keramikoberfläche beschleunigt werden. Dadurch wird eine lawinenartige Vervielfachung der freien Elektronen und damit ein heftiger Überschlag durch Sekundärelektronen über die Keramikoberfläche verhindert. Durch die nicht triviale Form des Isolators kann somit die Spannungsfestigkeit und die Lebensdauer der Vakuumröhre signifikant erhöht werden.
  • In einer Ausführungsvariante können die drei Bereiche der Wölbung (überhöhter Seitenbereich, Frontbereich und verkürzter Seitenbereich) jeweils einen tangentialen Übergangsradius von 1 bis 7 mm besitzen. Diese Ausführungsvariante hat u.A. die gleichen Vorteile wie die vorhergehende Ausführungsvariante. Insbesondere können damit Hochspannungs-Vakuumröhren mit Spannungen von mehr als 200kV am Isolator betrieben werden, ohne dass es zu Störungen oder Ausfällen durch Sekundärelektronen kommt. Solche Röhren können bei der erwähnten Spannung bei maximalen Durchmessern der Isolatoren von 150mm gebaut werden, was die erwähnten Vorteile betreffend Hersteltungs- und Transportkosten etc., Gewicht und Handlichkeit bringt.
  • In einer anderen Ausführungsvariante umfasst der ringförmige Isolator zwischen dem überhöhten Seitenbereich und dem bezüglich der Senkrechten zur Achsenrichtung des ringförmigen Isolators geneigten Frontbereich einen vierten Bereich, der im Wesentlichen senkrecht zur Achse des ringförmigen Isolators in Richtung vakuumisierten Innenraum weist und der zum überhöhten Seitenbereich sowie zum Frontbereich einen tangentialen Übergangsradius von 1 bis 7 mm besitzt. Diese Ausführungsvariante hat u.a. die gleichen Vorteile wie die vorhergehende Ausführungsvariante. Insbesondere können damit Hochspannungs-Vakuumröhren mit Spannungen von mehr als 200 kV am Isolator betrieben werden, ohne dass es zu Störungen oder Ausfällen durch Sekundärelektronen kommt.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante ragt der überhöhte Seitenbereich mindestens 2 Mal weiter als der verkürzte Seitenbereich in den vakuumisierte Innenraum. Diese Ausführungsvariante hat u.A. den Vorteil, dass die Neigung der Frontfläche von der negativen Elektrode weg so gross ist, dass durch Kaltemission der negativen Elektrode keine Sekundärelektronen auf der Keramikoberfläche erzeugt werden können. Dadurch werden heftige Entladungen verhindert, die zu bleibenden Schäden am Isolator führen können.
  • In einer wieder anderen Ausführungsvariante besitzt der überhöhte Seitenbereich gegen die Achsenrichtung des ringförmigen Isolators einen sich verjüngenden Auslauf und/oder der verkürzten Seitenbereich besitzt gegen die Achsenrichtung des ringförmigen Isolators einen sich verjüngenden Auslauf. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass das elektrische Feld an den Lötstellen zur Fixierung des ringförmigen Isolators an der Anode oder Kathode bzw. am zylindrischen Metallgehäuse minimiert werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante besteht der ringförmige Isolator im wesentlichen aus einem isolierenden Keramikmaterial. Das Keramikmaterial kann z.B. aus mindestens 95 % Al2O3 bestehen. Diese Ausführungsvariante hat u.A. den Vorteil, dass sich das Keramikmaterial als Isolator bei den sehr hohen elektrischen Feldern bezüglich seiner Stabilität gegen Spannung oder Durchschläge besonders eignet.
  • In einer Ausführungsvariante umfasst die Kathode auf der Aussenwand gegen den ringförmigen Isolator einen elektropolierten und/oder mechanisch polierten Metallzylinder. Dies hat u.a. den Vorteil, dass die Spannungsfestigkeit erhöht werden kann und Durchschläge verhindert werden können.
  • In einer Ausführungsvariante umfasst die Hochspannungs-Vakuumröhre 9 eine Stromversorgungsvorrichtung, mittels welcher Betriebsspannungen von mindestens 200 kV am Isolator anlegbar sind. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass sie für besondere Anwendungen in der Industrie, wie z.B. dem Durchleuchten von Transportcontainern an Zöllen und Flughäfen etc. die benötigte Leistung erbringen kann.
  • Nachfolgend werden Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Die Beispiele der Ausführungen werden durch folgende beigelegten Figuren illustriert:
    • Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer Röntgenröhre des Standes der Technik zeigt. Der ringförmige Isolator 10 ist dabei gegen das zylindrische Metallgehäuse 1, sowie gegen die Elektrode 2 treppenförmig abgestuft 101, um das Erzeugen von Sekundärelektronen zu vermindern.
    • Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer anderen Ausbildung einer Röntgenröhre des Standes der Technik zeigt. Der ringförmige Isolator 11 zeigt dabei gegen das zylindrische Metallgehäuse 1 hin eine Erhöhung 110 mit einer Vertiefung 111 beim Übergang zum Metallgehäuse 1.
    • Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer anderen Ausbildung einer Röntgenröhre des Standes der Technik zeigt. Der ringförmige Isolator 12 zeigt dabei gegen das zylindrische Metallgehäuse 1 hin eine Erhöhung 120 mit einer Vertiefung 121 beim Übergang zum Metallgehäuse 1. Das Metallgehäuse 1 ist auf der Höhe der Erhöhung 120 radial gegen aussen ausgebaucht 122.
    • Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer ähnlichen Röntgenröhre wie bei Figur 1 des Standes der Technik zeigt. Der ringförmige Isolator 14 ist dabei gegen das zylindrische Metallgehäuse 1, sowie gegen die Elektrode 2 jeweils einfach treppenförmig abgestuft, um das Erzeugen von Sekundärelektronen zu vermindern. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist der ringförmige Isolator 14 auf Seiten der Anode 3 und der Kathode 4 identisch. Zwischen Anode 3 und Katode 4 befindet sich eine Elektronenblende 5 um etwaige Streuelektronen weiter zu vermindern.
    • Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer weiteren Ausbildung einer Röntgenröhre des Standes der Technik zeigt. Der Isolator 15 ist dabei konisch an die Wandung der Halterung der Elektrode 2 (Anode oder Kathode) angelegt. Zugleich verjüngt sich das zylindrische Metallgehäuse 1 gegen die Elektrode hin. Solche Ausgestaltungen eignen sich für hohe Spannungen nicht mehr, da sie bei hohen Spannungen instabil gegen Sekundärelektronen werden.
    • Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt einer Ausbildung einer erfindungsgemässen Röntgenröhre zeigt. Der ringförmige Isolator ist buckelförmig mit den charakterisierenden Winkeln α, β und γ ausgebildet. Der anodenseitige Isolator 22 hat eine gegen die Anode 3 geneigte Frontfläche 31, während der kathodenseitige Isolator 21 eine gegen das zylindrische Metallgehäuse weisende Frontfläche 31 hat.
    • Figur 7 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt eines erfindungsgemässen, kathodenseitigen, ringförmigen Isolators 21 zeigt. Der Isolator ist buckelförmig mit den charakterisierenden Winkeln α, β und γ ausgebildet.
    • Figur 8 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch einen Querschnitt eines erfindungsgemässen, anodenseitigen, ringförmigen Isolators 21 zeigt. Der Isolator ist buckelförmig mit den charakterisierenden Winkeln α, β und γ ausgebildet.
    • Figur 9 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch den Verlauf der Äquipotentiallinien 40 auf Seiten der Anode 3 bei angelegter Betriebsspannung darstellt. Die Buckelform des Isolators 22 beeinflusst den Verlauf der Feldlinien 40 dermassen, dass auf Seiten des zylindrischen Metallgehäuses am unteren Teil der Fläche 33 eine Feldüberhöhung stattfindet, welche Elektronen aus dem zylindrischen Metallgehäuses auslöst. Diese Elektronen laden die Keramik derart auf, dass in diesem unteren Teil ein nahezu feldfreier Raum entsteht.
    • Figur 10 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch den Verlauf der Äquipotentiallinien 40 auf Seiten der Kathode 4 bei angelegter Betriebsspannung darstellt. Die Buckelform des Isolators 21 ist anodenseitig gespiegelt zum kathodenseitigen Isolator ausgebildet. Die Buckelform des Isolators 21 beeinflusst den Verlauf der Feldlinien 40 dermassen, dass auf Seiten der Kathode 4 am unteren Teil der Fläche 33 eine Feldüberhöhung stattfindet, welche Elektronen aus der Metallelektrode auslöst. Diese Elektronen laden die Keramik derart auf, dass in diesem unteren Teil ein nahezu feldfreier Raum entsteht
  • Figur 6, Figur 7 und Figur 8 illustrieren eine Hochspannungs-Vakuumröhre bzw. ein Verfahren für eine Hochspannungs-Vakuumröhre, wie sie bei der Realisierung der Erfindung verwendet werden kann. Gleiche Referenznummem in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine Anode 3 und eine Kathode 4 in einem vakuumisierten Innerraum 6 einander gegenüberliegend angeordnet. Der vakuumisierte Innenraum 6 ist durch ein zylindrisches Metallgehäuse 1 umschlossen. Das zylindrische Metallgehäuse 1 kann z.B. eine minimale Wandstärke von 2mm aufweisen. Ebenso ist es vorstellbar, dass das zylindrische Metallgehäuse 1 gegen den vakuumisierte Innenraum 6 elektropoliert und/oder mechanisch poliert ist. Die Anode 3 und/oder die Kathode 4 sind mittels eines ringförmigen Isolators 21/22 elektrisch isoliert. Figur 7 und Figur 8 zeigen eine detailliertere Darstellung des ringförmigen Isolators 21/22 im Aufschnitt, wobei Figur 7 den ringförmigen Isolator 21 kathodenseitig und Figur 8 den ringförmigen Isolator 22 anodenseitig zeigt. Der ringförmige Isolator 21/22 kann im Wesentlichen z.B. aus einem isolierenden Keramikmaterial bestehen. Als Keramikmaterial ist z.B. Keramikmaterial aus mindestens 95 % Al2O3 vorstellbar. Auf die Keramik kann beispielsweise eine einfach oder mehrfache Schicht aus einer Legierung gesintert sein. Die Legierung kann z.B. eine MoMnNi-Legierung umfassen. Der arithmetische Mittenrauwert (Ra) des ringförmigen Keramikisolators kann z.B. um die 1.6 µm betragen. Es ist aber auch möglich, dass der ringförmige Keramikisolator glatt oder mechanisch poliert ist. Zur Herstellung eines solchen ringförmigen Isolator 21/22 kann beispielsweise ein Pressdruck von mindestens 1000 bar verwendet werden. Der ringförmige Isolator 21/22 umfasst einen zylindrischen Teil 23/24 und in Richtung vakuumisierten Innerraum 6 buckelförmig einfach gewölbt ausgebildet ist. Die Wölbung in Richtung vakuumisierten Innerraum 6 umfasst einen geneigten Frontbereich 31 und zwei Seitenbereiche 30/33. Der geneigte Frontbereich 31 des ringförmige Isolator 22 der Anode 3 ist zur Achse durch das Scheibenzentrum 7 des Isolator 22 hin geneigt, während der geneigte Frontbereich 31 des ringförmigen Isolators 21 der Kathode 4 von der Achse durch das Scheibenzentrum 7 des ringförmigen Isolators 21 weg geneigt ist. Die Wölbung kann z.B. im Wesentlichen durch die Winkel α, β und γ eines verkürzten Seitenbereiches 30, eines überhöhten Seitenbereiches 33, sowie des Frontbereichs 31 charakterisiert werden. Der Winkel α zwischen der Achsenrichtung 7 des ringförmigen Isolators 21/22 und dem verkürzten Seitenbereich 30 liegt vorzugsweise zwischen 10° und 25° und der Winkel β des Frontbereichs 31 zur Senkrechten 8 zur Achsenrichtung 7 des ringförmigen Isolators 21/22 liegt vorzugsweise zwischen 10° und 25°. Der Winkel γ zwischen dem überhöhten Seitenbereich zur Achsenrichtung 7 des ringförmigen Isolators 21/22 liegt schliesslich vorzugsweise zwischen 10° und 25°. Die drei Bereiche 30/31/33 können jeweils einen tangentialen Übergangsradius R1/R3 von z.B. 3 bis 7 mm besitzen. Im Verhältnis zum verkürzte Seitenbereich 30 ragt der überhöhte Seitenbereich 33 beispielsweise mindestens 2 Mal weiter als der verkürzte Seitenbereich 30 in den vakuumisierte Innenraum 6. Dadurch wird die Frontfläche des Isolators derart geneigt, dass sie nicht von Elektronen aus der negativen Elektrode getroffen werden kann. Auf der Kathodenseite befindet sich der negative Tripelpunkt in der löttechnischen Verbindung zwischen dem Isolator 21 und der Hochspannungszuführung im Zentrum des ringförmigen Isolators, d.h. der Aussenwand 411 der Kathode 4. Auf der Anodenseite hingegen liegt der negative Tripelpunkt in der löttechnischen Verbindung zwischen dem Aussenumfang des ringförmigen Isolators 22 und dem zylindrischen Metallgehäuse 1. Deshalb ist die Aussenwand 311 der Anode weniger kritisch bezüglich den erwähnten Elektroneneffekte. Die Kathode 4 kann auf ihrer Aussenwand 411 gegen den ringförmigen Isolator 21 einen elektropolierten und/oder mechanisch polierten Metallzylinder 412 umfassen. Durch die nicht triviale Form des Isolators 21/22 kann die Spannungsfestigkeit und die Lebensdauer der Vakuumröhren signifikant erhöht werden. Figur 9 und Figur 10 zeigen einen möglichen Verlauf der Äquipotentiallinien 40 auf Seiten der Anode 3 bzw. auf Seiten der Kathode 4 bei angelegter Betriebsspannung. Die Buckelform des Isolators 21/22 beeinflusst den Verlauf der Feldlinien dermassen, dass auf Seiten des überhöhten Bereichs am unteren Teil der Fläche 33 zunächst ein Gebiet hoher Feldstärke entsteht. Dadurch werden Elektronen aus der benachbarten Metallelektrode herausgelöst, welche die Keramik in diesem Bereich elektrostatisch aufladen. Die Aufladung reduziert das elektrische Feld in diesem Bereich. Dadurch wird eine weitere Elektronenemission verhindert und das Hochspannungsverhalten der Röhre nachhaltig verbessert. In einer Ausführungsvariante umfasst der ringförmige Isolator 21/22 zwischen dem überhöhten Bereich 33 und dem bezüglich der Achsenrichtung 7 des ringförmigen Isolators 21/22 geneigten Frontbereich 31 einen vierten Bereich 32. Dieser vierte Bereich 32 steht im Wesentlichen senkrecht 8 zur Achse 7 des ringförmigen Isolators 21/22 in Richtung vakuumisierten Innenraum 6. Der vierte Bereich 32 kann zum überhöhten Bereich 33 sowie zum Frontbereich 31 z.B. einen tangentialen Übergangsradius R2/R3 von 3 bis 7 mm besitzen. Als weitere Ausführungsvariante kann es vorteilhaft sein, dass z.B. der überhöhte Bereich 33 und/oder der verkürzten Bereiches 30 gegen die Achsenrichtung 7 des ringförmigen Isolators 21/22 einen sich verjüngenden Auslauf besitzt. Umfasst die Hochspannungs-Vakuumröhre 9 eine Stromversorgungsvorrichtung, mittels welcher Betriebsspannungen von mindestens 200 kV am Isolator anlegbar sind, so kann sich die Hochspannungs-Vakuumröhre 9 für besondere Anwendungen in der Industrie, wie z.B. das Durchleuchten von Transportcontainern an Zöllen und Flughäfen etc. mit der dort benötigten Leistung besonders eignen. Die Hochspannungs-Vakuumröhre 1 kann bei diesen Anwendung insbesondere als Röntgenröhre verwendet werden. Es ist klar, dass sich die erfindungsgemässe Hochspannungs-Vakuumröhre 9 bei jeder Anwendung insbesondere zur Verwendung als Röntgenröhre eignet.
  • Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass eine Hochspannungs-Vakuumröhre 9 den erfindungsgemässen Isolator 21/22 nicht unbedingt beidseitig, d.h. bei der Anode 3 und der Kathode 4, umfassen muss. Im Gegenteil ist es durchaus möglich, dass der Isolator 21/22 nur an einer der Elektroden 3/4 gegeben ist, während die andere Elektrode 3/4 einen anders geformten Isolator oder gar keinen aufweist. Ebenso kann es je nach Anordnung der Hochspannungs-Vakuumröhre 9 sinnvoll sein, z.B. eine Elektronenblende 5 zur Verminderung von Sekundärelektronen der Vorrichtung beizufügen. Weiter ist anzufügen, dass sich die erfindungsgemässe Röntgenröhre insbesondere zur Verwendung in einer Gepäckdurchleuchtungsvorrichtung eignet. Besonders Durchleuchtungsvorrichtungen für Transportcontainer und/oder Transportbehältern gehören mit ihrem hohen Bedarf an Strahlungsleistung zu den idealen Einsatzgebieten für die efindungsgemässen Hochspannungs-Vakuumröhren bzw. Röntgenröhren.
  • Figur 1 bis 4 zeigen schematisch Beispiele von Röntgenröhren des Standes der Technik. Die ringförmigen Isolatoren 10/11/12/14 sind dabei gegen das zylindrische Metallgehäuse 1 und/oder gegen die Elektrode 2 treppenförmig abgestuft 101, mit Erhöhung 110/120 und/oder einfachen oder mehrfachen Vertiefungen 111/121/141 und/oder Ausbauchungen 122. Wie aus den Darstellungen ersichtlich ist, ist der ringförmige Isolator 14 auf Seiten der Anode 3 und der Kathode 4 jeweils identisch. Zwischen Anode 3 und Katode 4 kann sich eine Elektronenblende 5 befinden um etwaige Streuelektronen weiter zu vermindern. Figur 5 zeigt eine weitere Ausbildung einer Röntgenröhre des Standes der Technik. Der Isolator 15 ist dabei konisch an die Wandung der Halterung der Elektrode 2 (Anode oder Kathode) angelegt. Zugleich verjüngt sich das zylindrische Metallgehäuse 1 gegen die Elektrode hin. Insbesondere solche Ausgestaltungen eignen sich für hohe Spannungen nicht mehr, da sie bei hohen Spannungen instabil gegen Sekundärelektronen werden.

Claims (14)

  1. Hochspannungs-Vakuumröhre (9), bei welcher eine Anode (3) und eine Kathode (4) in einem vakuumisierten Innenraum (6) einander gegenüberliegend angeordnet sind und welcher vakuumisierte Innenraum (6) durch ein zylindrisches Metallgehäuse (1) umschlossen ist, wobei die Anode (3) und/oder die Kathode (4) mittels eines ringförmigen Isolators (21/22) elektrisch isoliert sind, wobei der ringförmige Isolator (21/22) einen zylindrischen Teil (23/24) umfasst und in Richtung des vakuumisierten Innerraums (6) buckelförmig einfach gewölbt ausgebildet ist, wobei
    die Wölbung in Richtung vakuumisierten Innerraum (6) einen geneigten Frontbereich (31), einen verkürzten Seitenbereich (30) und einen über höhten Seitenbereich (33) umfasst, wobei die Wölbung im Wesentlichen durch Winkel α, β und γ des überhöhten Seitenbereiches (33), des Frontbereichs (31) und des verkürzten Seitenbereiches (30) charakterisiert ist,
    und der besagte geneigte Frontbereich (31) des ringförmigen lsolators (21/22) bei anodenseitiger Ausbildung zum Scheibenzentrum (7) des ringförmigen Isolators (22) hin geneigt ist beziehungsweise bei kathodenseitiger Ausbildung vom Scheibenzentrum (7) des ringförmigen Isolators (21/22) weg geneigt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Winkel γ zwischen der Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) und dem verkürzten Seitenbereich (30) zwischen 10° und 25° liegt,
    dass der Winkel β des Frontbereichs (31) zur Senkrechten (8) auf die Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) zwischen 10° und 25° liegt, und
    dass der Winkel α zwischen dem überhöhten Seitenbereich und der Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) zwischen 10° und 25° liegt.
  2. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Bereiche (30/31/33) jeweils einen tangentialen Übergangsradius (R1/R3) von 1 bis 7 mm besitzen.
  3. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Isolator (21/22) zwischen dem überhöhten Seitenbereich (33) und dem bezüglich der Senkrechten (8) zur Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) geneigten Frontbereich (31) einen vierten Bereich (32) umfasst, der im wesentlichen senkrecht (8) zur Achse (7) des ringförmigen Isolators (21/22) in Richtung des vakuumisierten Innenraums (6) weist und der zum überhöhten Seitenbereich (33) sowie zum Frontbereich (31) einen tangentialen Übergangsradius (R2/R3) von 1 bis 7 mm besitzt.
  4. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überhöhte Seitenbereich (33) mindestens 2 Mal weiter als der verkürzte Seitenbereich (30) in den vakuumisierten Innenraum (6) ragt.
  5. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der überhöhte Seitenbereich (33) gegen die Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) einen sich verjüngenden Auslauf besitzt.
  6. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der verkürzte Seitenbereich (30) gegen die Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) einen sich verjüngenden Auslauf besitzt.
  7. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Isolator (21/22) im Wesentlichen aus einem isolierenden Keramikmaterial besteht.
  8. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial des ringförmigen Isolators (21/22) mindestens aus 95 % Al2O3 besteht.
  9. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kathodenseitiger Ausbildung des Isolators die Kathode (4) auf der Aussenwand (411) gegen den ringförmigen Isolator (21) einen elektropolierten und/oder mechanisch polierten Metallzylinder (412) umfasst.
  10. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungs-Vakuumröhre (9) eine Stromversorgungsvorrichtung umfasst, mittels welcher Betriebsspannungen von mindestens 200 kV am Isolator anlegbar sind.
  11. Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungs-Vakuumröhre (9) eine Röntgenröhre ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Hochspannungs-Vakuumröhre (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    wobei eine Anode (3) und eine Kathode (4) in einem vakuumisierten Innenraum (6) einander gegenüberliegend angeordnet werden, der vakuumisierte Innenraum (6) durch ein zylindrisches Metallgehäuse (1) umschlossen wird und die Anode (3) und/oder die Kathode (4) mittels eines ringförmigen Isolators (21/22) elektrisch isoliert werden, wobei
    der ringförmige Isolator (21/22) einen zylindrischen Teil (23/24) umfasst und in Richtung des vakuumisierten Innenraums (6) buckelförmig einfach gewölbt ausgebildet ist,
    die Wölbung in Richtung vakuumisierten Innenraum (6) einen geneigten Frontbereich (31), einen verkürzten Seitenbereich (30) und einen überhöhten Seitenbereich (33) umfasst, wobei die Wölbung im Wesentlichen durch Winkel α, β und γ des überhöhten Seitenbereiches (33), des Frontbereichs (31) und des verkürzten Seitenbereiches (30) charakterisiert ist,
    und der besagte geneigte Frontbereich (31) des ringförmigen Isolators (21/22) bei anodenseitiger Ausbildung zum Scheibenzentrum (7) des ringförmigen Isolators (22) hin geneigt ist, beziehungsweise bei kathodenseitiger Ausbildung vom Scheibenzentrum (7) des ringförmigen Isolators (21/22) weg geneigt ist, wobei
    der Winkel γ zwischen der Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) und dem verkürzten Seitenbereich (30) zwischen 10° und 25° liegt,
    der Winkel β des Frontbereichs (31) zur Senkrechten (8) auf die Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) zwischen 10° und 25° liegt, und
    der Winkel α zwischen dem überhöhten Seitenbereich und der Achsenrichtung (7) des ringförmigen Isolators (21/22) zwischen 10° und 25° liegt,
    wobei zur Herstellung des ringförmigen Isolators (21/22) ein Pressdruck von mindestens 1000 bar verwendet wird.
  13. Gepäckdurchleuchtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen umfasst, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mindestens eine Stromversorgungsvorrichtung, mittels welcher Betriebsspannungen von mindestens 200 kV erzeugbar sind, sowie eine oder mehrere Röntgenröhren nach Anspruch 11 umfasst.
  14. Durchleuchtungsvorrichtung für Transportcontainer und/oder Transportbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung von Röntgenstrahlen eine oder mehrere Röntgenröhren nach Anspruch 11 umfasst.
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