CN101755321A - 热电子发射极和包括这种热电子发射极的x射线源 - Google Patents

Abstract

提议了一种热电子发射极(1)，其包括：包括可加热的平的发射表面(3)的内部部分(2)和包括基本包围所述发射表面的周围表面(6)的外部部分(4)以及用于将所述发射表面加热至进行热电子发射的温度的加热布置。所述外部部分在远离所述发射表面的连接区域(10)中机械连接至所述内部部分。此外，所述周围表面在远离所述连接区域的隔离区域中例如通过间隙(14)与所述发射表面热隔离。通过提供包围所述发射表面的周围表面，可以获得改进的电子发射分布和均匀性，其中所述周围表面可以与所述发射表面处于相近的电势，但可以具有比所述发射表面充分更低的温度而不影响所述发射表面中的温度分布。

Description

热电子发射极和包括这种热电子发射极的X射线源

技术领域

本发明涉及用于通过热发射来发射电子的热电子发射极和包括这种热电子发射极的X射线源。

背景技术

对与X射线源相关的高端CT(计算机断层摄影)和CV(心血管)成像的未来要求是更高功率/管电流、对管电流的更短响应时间(尤其是当期望脉冲调制时)和与未来探测器系统要求相对应的更小焦斑。

可以通过使用复杂的电子光学理念给出以更小焦斑达到更高功率的一个解决方案。但同样重要的是电子源本身和电子的发出条件。对用于X射线管的热电子发射极，加热金属表面以达到1-2A的电子发射电流是必要的。在管内的这些电子电流对于现有技术的医疗应用是必需的。对于如今的高端X射线管，通常使用直接或间接加热的薄平发射极。

图1a和1b分别示出传统直接加热的具有矩形或圆形几何结构的薄平发射极101、201的示例，构造出平的电子发射表面103、203以限定电路径并获得所需的高电阻。将薄发射极膜在连接点105、205处固定至终端107、207，可以将外部电压通过终端107、207施加至所构造的发射表面，以便引导用于将发射表面加热至进行热电子发射的温度的加热电流。

如在图2中所看到的，可以将电子发射极101利用其终端107安装至阴极杯111。对于直接加热的电子发射极，将绝缘体113设置在终端107和阴极杯111之间以获得用于施加电流至电子发射极的电路。对于例如通过电子轰击或者通过激光辐照进行加热的间接加热的发射极，这种绝缘体不是必需的。

上阴极杯表面115相对于发射表面103的准确位置对于阴极杯的良好定义的电子聚焦行为是必要的。然而，包括电子发射极和阴极杯的电子源的温度可能影响发射表面103和阴极杯表面115之间的距离。在利用一系列X射线脉冲的医学研究中，终端107、207和阴极杯111的温度可能不同地改变。结果，可能发生不同的热机械膨胀并且导致发射表面103和上阴极杯表面115之间的相对位置改变。

这在图3a、3b中示出。在第一脉冲期间，终端107和阴极杯111所处于的温度导致如在图3a中所示的设置。发射表面103和阴极杯表面115之间的不同位置引起电场117的等势线弯曲。该弯曲使从发射表面103发射的电子束119聚焦。在一系列X射线脉冲的最后，可能建立不同的温度分布。在图3b中，示出了在终端107处于较高温度并且因此具有较大膨胀的情况下所得的最终位置。上发射表面103和阴极杯115之间的距离减小。结果，电场弯曲得不如前面情况中那样强。因此，给出了整个电子源的不同光学行为。阳极上的焦斑尺寸和形状可能改变，这可能引起例如空间分辨率的光学质量的降低。

换言之，在进行若干系列X射线脉冲时，热状况可能改变。因此，发射表面103和阴极杯表面115的位置可能改变，这可能引起不同的电势特性和不同的光学状况。阳极上的电子束的焦斑可能改变，这可能导致X射线照片的光学质量的降低。

在DE10135995A1中，提出了如在图4中所示的电子发射极设计，其可以降低该负面影响。直接加热的热平发射极301具有圆形发射表面303，其被细分成电流路径304，电流路径304被狭缝305所分离并且连接至终端307。许多附加的片段309通过各自的窄连结板311连接至发射极的最外部互连件，但是由于间隙313，各片段309彼此无连接。

如在图5a和5b中所看到的，在图4中示出的设计的结果可能是：终端307的热膨胀使发射中的内部发射表面303移位，并同样使具有突出片段309的较冷的外部发射部分移位。即，这两部分的上表面总在平面中。因此，对于电子发射，该设计可以几何分离弯曲的电势线317的区域和电子发射区域303。因此，弯曲的电势线的改变可以不再对X射线源的光学性质有显著影响。

然而，实际使用已经揭示出DE10135995A1中描述的电子发射极设计也可能具有与所发射的电子束的分布和均匀性相关的问题。

可能需要改进的热电子发射极和包括这种热电子发射极的X射线源，以提供改进的电子发射特性，从而允许提高的电子发射均匀性和/或降低的温度依赖性。

发明内容

这一需要可以由根据独立权利要求的主题满足。本发明的有利实施例在从属权利要求中描述。

根据本发明的第一方面，提议了一种热电子发射极，其包括：包括可加热的平的发射表面的内部部分、包括基本包围所述发射表面的周围表面的外部部分，以及用于将所述发射表面加热至进行热电子发射的温度的加热布置。其中，所述外部部分在远离所述发射表面的连接区域中机械地连接至所述内部部分。此外，所述周围表面在远离所述连接区域的隔离区域中与所述发射表面热隔离。

本发明的发明人已经发现，在与在DE10135995A1中公开的和在图4中示出的那些类似的热电子发射极中，直接附接至所述电子发射表面303的附加的突出片段309可以用作类似于热沉，因为它们不被电流加热却通过辐射释放能量。因此，在实际发射表面内的直接加热的电流路径内的温度可以显著地受附加的突出片段的影响。例如，在与连结板311邻近的区域中，发射表面303中的温度可能被局部降低。因此，可能剧烈地干扰电子发射特性，这还可能导致X射线系统的焦斑强度分布和光学质量的显著负面改变。例如，对于可实现并且机械稳定的发射极设计，在T＝2200℃的热电子发射温度下，温度的局部改变可以达到ΔT＝100℃范围内的值。用于消除该影响的一种方法是减小小连结板311的宽度以便降低发射表面303和外部片段309之间的热传导。然而，这种减小的连结板尺寸可能导致外部片段309和发射表面303之间的机械连接在如CT扫描架上的离心力的外力作用下不再稳定。此外，由于辐射、热容量和热传导的温度依赖性，对温度分布和电子发射特性的影响可能是依赖于温度的。因此，当针对不同医学应用改变发射电流时，X射线系统不得不处理该复杂影响。此外，在发射极的发射表面303中或附近的任意类型狭缝可能引起高压场的变形，这可能导致较大的焦斑尺寸。概括来讲，电子发射区域内的温度的扰动和靠近发射表面的狭缝的影响可能是不利的，其至少部分地通过本发明得以克服。

本发明的第一方面可以看作是基于以下观点：提供外部发射极部分，其在操作过程中不被主动加热并且其围绕或包围内部发射极部分的实际被加热或者可加热的平的发射表面，其中所述外部发射极部分在远离可加热的发射表面处机械地连接至所述内部发射极部分，并且因此在操作中与热的发射表面基本没有直接热接触。

例如，可以将中间区域插入被加热布置实际加热至进行热电子发射的可以高于2000℃的温度的发射表面和包括周围表面的不被加热的外部部分之间。该中间区域可以用作热障或者绝缘体，从而使得基本阻止内部部分的发射表面和外部部分的周围表面之间的热交换。然而，与缺少热接触不同的是，内部部分和外部部分之间可以存在电接触，从而使得发射表面和周围表面可以处于相近的电势。

根据本发明第一方面的热电子发射极的主旨可以从以下事实中看到：包括周围表面的外部部分以这样的方式机械地连接至包括发射表面的内部部分，该方式使得当发射表面被加热布置加热而外部部分不被加热布置加热时在发射表面内基本不发生对温度分布的影响。因此，根据本发明的第一方面的电子发射极的被加热发射表面内的温度分布可以基本等于没有附加的外部部分的常规热电子发射极的具有相同几何结构的被加热发射表面的温度分布。

下面，将详细解释根据本发明的第一方面的热电子发射极的可能的特征和优势。

这里，热电子发射极可以被解释为具有电子发射表面，在操作过程中该电子发射表面被加热布置加热至例如高于2000℃的非常高的温度以进行热电子发射，从而使得发射表面中的电子具有如此高的动力学能量以致于从发射表面发出。所释放的电子随后可以在电场内被加速并且可以被定向到阳极上以便生成X射线。

所述内部部分的发射表面大体是平的，这意味着在发射表面内基本没有可能干扰或者偏转施加在电子发射极和阳极之间的电势的弯曲或突出。然而，可以将发射表面构造成限定具有预定电阻的传导路径。通过施加外部电压至这些传导路径上的终端，可以在传导路径内引导电流以加热发射表面。

所述外部部分的周围表面基本整体包围发射表面。例如，周围表面可以形成为横向地围绕矩形或圆形发射表面的环状表面。为了避免电流流过外部部分，可以通过小于1mm且优选小于400μm的量级的小间隙中断周围表面。这种间隙可以阻止任意电流流过外部部分，同时由于它们的小尺寸，它们基本不影响电子发射极和阳极之间的电势并且同时基本不影响周围表面的热特性。

可以以不同方式实现用于加热发射表面的加热布置。在所谓的直接加热的热电子发射极中，加热布置可以集成到电子发射极的内部部分中。如前面所述，可以在内部部分上提供终端并且可以将内部部分构造为具有电传导路径，从而使得流过这些路径的电流加热发射表面。或者，在所谓的间接加热的电子发射极中，可以提供外部加热布置。例如，可以将来自辅助电子源的加速电子定向到电子发射极的发射表面上，以便通过电子轰击对其加热。或者，诸如激光的强光源可以被定向到发射表面上以通过光吸收对其加热。

所述外部部分在其中机械地连接至所述内部部分的连接区域应该充分远离发射表面，从而使得外部表面和热的发射表面之间基本不存在热接触。被加热的发射表面和外部部分的不被加热的周围表面之间的实际距离可以根据例如内部部分、外部部分和/或连接区域的材料的热性质进行选择。在外部部分和发射表面之间小于几毫米的距离足以实现热分离的目的。

为了阻止在操作中周围表面对热的发射表面的负面热影响，周围表面应该与发射表面尽可能好地热隔离。为了该目的，周围表面应该至少在远离连接区域的隔离区域中与发射表面热隔离，其中外部部分在连接区域中连接至内部部分。换言之，周围表面应该靠近发射表面并且包围发射表面但是在热的发射表面和冷的周围表面之间不应该有显著的热接触(除了不可避免的热辐射接触之外)。

根据本发明的一实施例，在隔离区域中，周围表面与发射表面通过间隙横向地间隔开。该间隙可以用于热隔离。例如，该间隙可以具有小于1mm且优选小于0.4mm并且更优选地小于0.2mm的宽度。间隙越小，电场的扰动就可以越小。优选地，间隙沿着其纵向延伸可以具有恒定宽度，以便减小电场偏差和/或热性质的不均匀性。

根据又一实施例，加热布置包括两个发射极终端，这两个发射极终端相对于发射表面布置在内部部分的相对的位置处，从而使得可以通过施加电压至发射极终端而在发射表面中引导加热电流。在该实施例中，可以直接加热发射表面。发射极终端与电子发射极的内部部分接触的位置可以限定可加热的发射表面的横向末端。由于辐射损失、传导损失和对流损失，这些末端可能是被加热的发射表面的最冷区域。因此，将不被加热的外部部分在接近这些末端处机械地连接至内部部分是有利的。

根据又一实施例，外部部分在相对于发射极终端与发射表面相对的连接区域中机械地连接至内部部分。换言之，在直接加热的电子发射极中，两个发射极终端之间的区域用作可加热的发射表面，而发射表面之外的相对区域可以用作连接区域，外部部分可以在该连接区域中机械地连接至内部部分。

在发明的电子发射极的又一实施例中，加热布置包括定向至发射表面的激光束源或者电子束源。在该实施例中，可以通过激光束的光吸收或者通过电子轰击间接加热发射表面。束的形状和尺寸限定了实际被加热的发射表面。因此，已知激光束或者电子束的这些性质，可以确定操作过程中加热内部部分的哪个区域以及哪个部分保持相对冷，从而使得外部部分可以机械地连接至内部部分的这些不被加热的区域。

根据电子发射极的又一实施例，内部部分和外部部分由相同的材料整体形成，该材料例如金属、金属合金或者金属夹层组合。合适的材料例如可以为钨、钽和钨铼合金。由普通的衬底整体地形成内部部分和外部部分可以同时提高电子发射极的可生产性和机械稳定性。此外，因整个电子发射极由导电材料形成，内部部分和外部部分电连接。此外，由于具有相同的材料，电子发射极的所有部分具有相同的膨胀系数，这在高温环境下是有利的。

根据电子发射极的又一实施例，将内部部分和外部部分实现为分离的设备，其中将外部部分在远离发射表面处附接至内部部分。例如，内部部分可以由第一耐高温材料制成，并且可以包括在中心的在操作中将被加热的发射表面和将不被加热的边界区域。外部部分可以包括不同的材料，其不必需耐高温并且可以附接至内部部分的边界区域。

根据又一实施例，将内部部分的发射表面和外部部分的周围表面布置在同一平面中。在这种布置中，可以例如从简单的平的膜或片衬底制作电子发射极，其中周围表面仅通过小的狭缝或间隙与可加热的发射表面分离，其中所述小的狭缝或间隙可以例如由激光或者钢丝腐蚀制成。这种片的厚度可以例如在几百微米的范围内。根据该实施例的电子发射极具有包括发射表面和周围表面的完全平的表面是有利的，以便获得在发射表面和远处的阳极之间的不失真的电场。

根据又一实施例，周围表面延伸出发射表面的平面。例如，周围表面可以在与发射表面直接邻近的区域中横向地延续到发射表面，但是随后弯曲出发射表面的平面。或者，包括周围表面的外部部分可以例如附接在内部部分的边界区域的顶部上，从而使得周围表面在与发射表面的平面平行的平面中延伸。周围表面的这种不同的几何机构可以允许电子发射极的不同的电子光学行为。

根据本发明的第二方面，提供包括如上所描述的热电子发射极的X射线源。由于热电子发射极的诸如均匀的电子发射的有利性质，X射线源可以显示出关于X射线束均匀性、可实现的管电流、可实现的最小焦斑尺寸和可实现的最小响应时间的优良性质。除了发明的电子发射极之外，X射线源可以包括阳极，以在用作为阴极的电子发射极和用于生成X射线束的靶之间建立电场。此外，可以提供电子光学器件。

必须注意的是，本发明的实施例是参照不同的主题进行描述的。具体而言，一些实施例参照电子发射极描述，而另一些实施例参照X射线源描述。然而，本领域的技术人员可以将从上面以及下面的描述获悉，除非另外指明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题相关的特征之间的组合也被视为由本申请公开。

本发明的上面限定的方面以及其他方面、特征和优势可以从下文中将要描述的实施例的示例导出并且参照实施例的示例进行解释。下文中参照实施例的示例对本发明更详细地进行描述，但本发明并不局限于此。

附图说明

图1a、1b示出现有技术中的热电子发射极；

图2示出在阴极杯中的电子发射极的现有技术中的布置；

图3a、3b说明由于支撑电子发射极的终端的不同热膨胀而引起的图2的布置上方的电场的改变；

图4示出在附接至限定发射表面的电子发射极的内部区域的最外部区域中具有附加的不被加热的片段的现有技术中的热电子发射极；

图5a、5b说明针对支撑图4中示出的电子发射极的终端的热膨胀的不同状态电场的不同位形；

图6示出根据本发明的实施例的矩形热电子发射极的顶视图；

图7示出根据本发明的实施例的圆形热电子发射极；

图8示出根据本发明的实施例的具有向上弯曲的周围表面的热电子发射极；

图9示出根据本发明的另一实施例的具有阶梯状周围表面的另一热电子发射极；

图10示出根据本发明的另一实施例的包括用于内部部分和外部部分的不同材料的热电子发射极的顶视图；

图11示出根据本发明的另一实施例的具有用于内部部分和外部部分的分离的设备的热电子发射极；

图12示意性地示出根据本发明的另一实施例的被外部激光束间接加热的热电子发射极；

图13示意性地示出根据本发明的实施例的X射线管。

附图中的说明仅是示意性的。应该注意，在不同的附图中，类似或相同的元件具有相同的附图标记或者具有与对应的附图标记仅首位数字不同的附图标记。

具体实施方式

图6示出根据本发明的第一实施例的热电子发射极1的顶视图。电子发射极1包括内部部分2和基本包围内部部分2的外部部分4。在内部部分2上，提供连接点5，其要与用于施加外部电压至内部部分的横向末端之间的区域的终端相连接，该中间区域用作可加热的平的发射表面3。

在附图中，发射表面3以不同的影线示出，其中密的影线指示当电流流过发射表面时的操作过程中的较高温度，而较稀的影线指示操作过程中的较低温度。可以看到，在两个连接点5之间的中心处，存在最高温度，而在边界区域温度保持较低。

因此，连接至连接点5的终端和在连接点5之间所构造的发射表面用作用于将发射表面3加热至进行热电子发射的温度的加热布置20。连接点5本身限定发射表面的边界。在两个连接点5之间，通过在发射表面内引导加热电流来主动加热内部部分2的表面，其中将该发射表面构造为小传导路径。在该发射表面之外，即在相对于连接点5与发射表面相对的区域，内部部分2不被主动加热并且因此显著地比在发射表面内冷。在发射表面3之外并且与其远离的该较冷区域可以用作将外部部分4机械地连接至内部部分2的连接区域10。

在图6的实施例中，热电子发射极1具有矩形形状并且外部部分4和内部部分2由单一金属片制成。围绕发射表面3的周围表面6为纵向矩形舌状，其从电子发射极的横向端(在图中从左端和从右端)延伸到其横向中心。这些舌状物在本身不被主动加热的连接区域10中电连接至内部部分。因此，该周围表面可以与连接点5中的一个处于相近电势并且可以处于比发射表面3显著低的温度，而不干扰被加热的发射表面3中的温度分布。

为了阻止电流从左侧连接点5经外部部分4流到右侧连接点，外部部分4在其中间部位被间隙12分离。该间隙可以具有大约0.5mm的宽度。此外，为了阻止发射表面3和外部部分4的周围表面6之间的短路并且阻止发射表面和周围表面之间的热接触，在电子发射极内形成窄狭缝，其部分地将发射表面3与周围表面6通过间隙14分离。

图7示出根据本发明的另一实施例的具有圆形几何结构的替代热电子发射极1。在该实施例中，被加热的发射表面3是圆形的并且周围表面6以半圆包围发射表面3。如在图7的透视图中看到的，将终端7连接至连接点5。周围表面6的半圆在径向地位于发射表面3之外的连接区域10处机械地连接至内部发射表面3。

图8和9示出了由单一金属片制成的热电子发射极的又一实施例。在图8的实施例中，周围表面6向上弯曲以便延伸出平的发射表面3的平面。在图9中所示的实施例中，周围表面6以阶梯形式形成，从而使得周围表面6的主要部分相对于发射表面3的平面平行移位。使用这种不同地形成的周围表面可以得到电子发射极的特定电子光学性质。

在图10中所示的实施例中，内部部分2和外部部分4具有不同的材料，在图中以不同类型的影线指示。在这种实施例中，材料和它们的例如热传导性、热膨胀系数和电子发射率的性质可以不同。在这种实施例中，以使得内部部分和外部部分彼此间仅具有微小距离的方式将内部部分和外部部分固定到在连接点5处的终端(在图10的顶视图中未示出)的相同端部区域是有利的。在加热该结构时，这引起在距离上可以忽略的改变。利用这种设置，可以保证当发生温度改变时，发射部分和周围外部部分的表面以相同的方式移位。

图11示出热电子发射极的一实施例，其中将包括发射表面3的内部部分2和包括周围表面6的外部部分4提供为分离的设备。将外部部分4附接到连接点5上，在连接点5处将内部部分2连接到终端7。外部部分4的周围表面6相对于发射表面3垂直地移位并且可以与发射表面3重叠。例如，可以将形成外部部分4的设备提供为在中间具有开口，该开口可以用作孔并且可以无接触地覆盖发射表面3的区域。这些被覆盖的区域仍然发射电子，不过这些电子不被注入到高电场中。

图12示出热电子发射极的一实施例，其中所述发射表面被包括外部激光源21加热布置(20)间接地加热。来自激光源21的光束被孔23成型并且可能被其他光学装置(图中未示出)成型，从而使得光束25辐照热电子发射极1的内部部分内的区域，热电子发射极1的内部部分因此用作被加热的发射表面3。外部部分4通过间隙14与所辐照的发射表面3分离并且仅在远离被加热的发射表面3的边界区域10中被连接至内部部分2。可以为由于被加热的内部部分2和不被加热的外部部分4之间不同的热膨胀系数导致的它们的不同延长作好准备。

图13示出具有由异步电机驱动的旋转阳极516的X射线管530。X射线管530包括在封套517的真空515中的阴极518和旋转阳极516。将电子从阴极518加速到旋转阳极516并且与作为金属靶的旋转阳极516碰撞。通过与金属靶碰撞，从旋转阳极516发射X射线光子519。为了避免旋转阳极516上的碰撞电子的焦斑，旋转阳极516是连接至异步电机的转子56的轴的可旋转盘。通过使用旋转阳极516，焦斑沿着盘的边缘平均，这得到旋转阳极516的长的耐久性并且允许高能量电子束。封套517被包围在罩511中，该罩511填充有用于冷却X射线管530的油514并且其包括异步电机的定子57。定子57连接至电源51。三相定子电流产生旋转电磁场，这引起定子56的旋转并且因此使旋转阳极516旋转。使用异步电机，可以测量在至少一相的定子电流。在设备520中处理所测量的电流信号并且计算电机转子频率并由此得到旋转阳极速度。因此，可以优化X射线管530的操作。

在对本发明的上述实施例尝试着进行非限制性的概括时，可以这样陈述：本发明的核心在于将阴极杯的与发射中的平发射极部分的发射和聚焦行为相关并且受杯体和终端的不同热膨胀影响的那些部分替换为可以与发射中的平发射极部分固定至相同终端但保持在较低的非发射温度的薄金属片。在这种阴极设置中的所有温度改变引起发射部分和附加部分的相同移位，并且保持这两部分的良好定义的相对位置，该相对位置显著地影响电子发射极和光学特性。

应该注意的是，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以进行组合。还应该注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为对权利要求的范围的限制。

Claims (10)

1.一种热电子发射极(1)，包括：

内部部分(2)，其包括可加热的平的发射表面(3)；

外部部分(4)，其包括基本包围所述发射表面的周围表面(6)；

加热布置(20)，其用于将所述发射表面加热至进行热电子发射的温度；

其中，所述外部部分在远离所述发射表面的连接区域(10)中机械地连接至所述内部部分；

其中，所述周围表面在远离所述连接区域的隔离区域中与所述发射表面热隔离。

2.根据权利要求1所述的热电子发射极，其中，所述周围表面在所述隔离区域中通过间隙(14)与所述发射表面横向地间隔开。

3.根据权利要求1或2所述的热电子发射极，其中，所述加热布置包括两个发射极终端(7)，所述发射极终端(7)相对于所述发射表面布置在所述内部部分的相对的位置处，从而使得可以通过施加电压至所述发射极终端而在所述发射表面中引导加热电流。

4.根据权利要求3所述的热电子发射极，其中，所述外部部分在相对于发射极终端与所述发射表面相对的连接区域中机械地连接至所述内部部分。

5.根据权利要求1或2所述的热电子发射极，其中，所述加热布置包括定向至所述发射表面(3)的激光束源(21)和电子束源中的一个。

6.根据权利要求1-5中的一项所述的热电子发射极，其中，所述内部部分和所述外部部分由相同的材料整体形成，所述材料是金属、金属合金和金属夹层组合中的一种。

7.根据权利要求1-5中的一项所述的热电子发射极，其中，将所述内部部分和所述外部部分实现为分离的设备，并且其中，将所述外部部分在远离所述发射表面处附接至所述内部部分。

8.根据权利要求1-7中的一项所述的热电子发射极，其中，将所述发射表面和所述周围表面布置在同一平面中。

9.根据权利要求1-7中的一项所述的热电子发射极，其中，所述周围表面延伸出所述发射表面的平面。

10.一种X射线源，其包括根据前述权利要求中的任意一项所述的热电子发射极。

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