CN102222594A - 环形阴极段、由其构成的x射线管以及制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形阴极段，包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置(E1，E2)，其中，该环形阴极段在非导电的、构成为环形段的支撑体(T)上在多个发射极位置(E1，E2)处具有带有平坦表面的导电胶粘剂层(K)，以及在多个发射极位置(E1，E2)处在导电胶粘剂层(K)上分别形成具有导电纳米结构(NT)的层。本发明还涉及一种CT系统的环形X射线管，具有多个位于固定的环形阴极上的发射极位置(E1，E2)，该环形阴极包括由多个环形阴极段构成的阴极环，其中每个环形阴极段由弯曲的环形段形状的支撑体(T)构成，在每个环形阴极段上在发射极位置(E1，E2)上彼此绝缘地涂覆导电胶粘剂层(K)，以及在每个发射极位置上在导电胶粘剂层(K)上直接涂覆具有导电纳米结构(NT)的层。

Description

环形阴极段、由其构成的X射线管以及制造其的方法
技术领域
本发明涉及一种环形阴极段，其包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置(Emitterposition)。此外，本发明还涉及一种由环形阴极段构成的X射线管，以及一种制造这样的环形阴极段的方法。
背景技术
原则上，构成为纳米结构的、与X射线管相关的电子发射极或场发射极是一般公知的。这样的纳米结构具有朝向表面的尖峰结构，在其上通过施加加速电压而形成很高的场强，由此非常有利于电子的发出。对此请参考HaeyoungChou和Jong UK Kim的文章Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol 963，2007，“Improvement of Emission Current by Using CNT Based X-Ray Tube”。在该出版物中，例如在图2中示出了X射线管的基本结构，其中，设置有CNT(＝Carbon NanoTubes＝Kohlenstoff-
Figure BDA0000055787810000011
碳纳米管)、即纳米结构的金属薄片作用为电子发射极，并借助电子聚焦透镜在阳极上产生点状焦点，其可以用于印刷电路板的成像。
用于在金属表面上制备碳纳米管的工具也是一般公知的。仅示例性地指出Beom-Jin Yoon等人的文章J.AM.CHEM.SOC 2005，127，8234-8235，“ Fabricationof Flexible Carbon Nanotube Field Emitter Arrays by Direct Mircrowave Irradiationon Organ
同样，在计算机断层造影(Computertomographie，CT)领域内公知有所谓的环形管，其通过激光触发地或通过电路控制地在X射线管圆周上的特定位置上发射X射线，并由此替代了旋转的支架上的、机械地旋转的X射线管。该X射线管的主要部分是电子发射极，其在相应施加的加速电压下向阳极发射电子。在此，迄今公知的是，在制造这样的环形管时，可以如下地来制造阴极段：首先分别在基底(通常为金属薄片)上制造各个场发射极，然后将多个这样的场发射极安装到一个电绝缘的阴极段上并装进X射线管内。
在此的问题是，每个CT系统需要约1000个发射极，从而顺序地制造完这么多个要单独安装的发射极的成本太高，特别是因为每个单个的发射极基底都要高度准确地关于其取向来安装。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种更易制造的、用于环形阴极的环形阴极段以及由此构造的环形X射线管。此外，本发明要解决的技术问题还在于提出一种制造这样的环形阴极段的简单的方法。
本发明的技术问题通过一种环形阴极段、一种制造这种环形阴极段的方法以及一种CT系统的环形X射线管来解决。
本发明人认识到，如果在非导电的作为支撑体的环形段上，借助相应的分配装置(Dispensiervorrichtung)直接在过后要发射电子的位置上涂覆朝向环形阴极段的中心对准的、具有平坦表面的导电胶粘剂层，并在其上产生具有碳纳米管的层，就能够明显更加有利并且在制造技术上更加有效地来进行。
相应于本发明人的该思想，可以通过压力/体积分配中度粘性到高度粘性的贵金属导电胶粘剂(优选为银导电胶粘剂)将该金属基底层直接设置在非导电的支撑体上。在此，该金属基底就宽度、高度、形状以及截面大小的维度通过涂布参数来控制，这些参数包括写速度(Schreibgeschwindigkeit)、给料压力(Dosierdruck)、工作间隔(Arbeitsabstand)以及可能的给料针的调节角度和导电胶粘剂的工作粘度及触变性。截面形状可以附加地通过针开口的形状来控制。由此例如使用椭圆形针可使截面扁平。如果这不足以产生与支撑体共面的基底表面，则可以通过用笔刷或橡胶刮片进行处理来使表面光滑。这些后处理工具可以集成在所使用的分配装置的分配头中并由此能够以与实际的写过程相同的精度移动。原则上这样的分配装置是一般公知的。在此其是机器人控制的分配针，其具有设置用于胶粘材料的同样电控的分配装置。在写过程以及可能实施的平滑过程之后，可以通过附加的热处理对表面再次进行平滑并通过另外的热固化步骤来固定。在此，胶粘剂层的第一次升温会使胶粘剂的粘度下降，由此会经历很小的不平整并因此而达到均衡。然后，通过再次升温来使胶粘材料硬化。
除了制造为过后涂覆纳米结构、特别是CNT层的平的金属基底层之外，还可以使用相同的涂覆方法以相同的涂覆的材料来制造金属基底层与运行X射线阴极所需的电路连接的接触。在此，需要时可以相对于基底的维度最小化到线性维度。这例如可以通过替换给料针或通过改变针的给料速度或前移速度来实现。在此优选在一个单独的工作过程中制造金属基底层和接触，在此现在还可以写三维的接触线。也就是说，还可以将接触线写到支撑体的侧面和背面，从而能够相应地优化空间。
为了保护接触线还可以附加地对接触线的区域设置绝缘覆层。为此例如同样可以使用这样的分配装置，其中，利用起绝缘器作用的胶粘材料或漆(Lack)对接触线进行过后涂写并由此利用这些材料将其覆盖。
然后可以通过一般公知的方法来涂覆纳米结构，如CNT层。在此可以参见所引述的文献。
作为补充，还可以借助以上所述的导电胶粘材料的涂覆方法将提取光栅(Extraktionsgitter)固定在金属基底上方，并实现其上的纳米结构。在此需要在多个涂覆步骤中分别以短的涂覆间隔来涂覆连接点或连接线。在此，例如可以出于在材料消耗方面节约成本的原因，主要采用电绝缘的胶粘材料来固定光栅并且在支撑体上在光栅和光栅所拥有的接触线之间仅设置较少的导电的固定点。在固定光栅时优选可以设置一个或多个可去除的垫片(Abstandshalter)，以使得在CNT层和提取光栅之间总是保持相同的距离。在此替代地还可以将提取光栅压制到提高的接触点上，直至达到事先定义的距离。为此优选采用与导电的基底层共面的压模(Druckstempel)，其在必要时可以集成在分配装置的机器臂中。
优选在持续的光学在线控制(In-Line-Kontrolle)下来实施以上所述的制造过程，以确保持续的过程控制和质量保证。在制造方法中所需要的支撑体的确切定向例如可以借助集成的图像识别系统来实现。分配装置工作状态的正确设置可以通过集成的激光三角测量系统来实现。
因此，在以上所述的制造方法以及如此制造的环形阴极段中尤其具有优点的是，仅在两个生产步骤中来构造环形阴极段。在第一生产步骤中，将金属基底连同印制导线(Leiterbahn)共同设置到支撑体上，然后，在另一制造步骤中，将导电的纳米结构如CNT共同且同时涂覆在金属基底的表面上。
相对于迄今的将CNT表面置于各金属片上然后将各金属片以多个彼此相邻设置的位置涂覆于支撑体上的制造方式而言，本发明的方法在制造范围内蕴含着极大的节约潜力。值得注意的是，在本发明范围内，在此所描述的纳米结构还可以由半导体、导体、石墨烯(Graphene)等制造。
因此，相应于以上所述的本发明的思想，本发明提出一种环形阴极段，其包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置，其中，该环形阴极段在非导电的、构成为环形段的支撑体上在多个发射极位置处具有带有平坦表面的导电胶粘剂层，以及在多个发射极位置处在该胶粘剂层上分别形成具有导电纳米结构的层。
优选还可以附加地以预先给定的到纳米结构的表面的距离在每个发射极位置上利用导电胶粘剂固定一个提取光栅。但同样还可以跨过多个发射极来设置提取光栅。
此外还提出，对于每个发射极位置，由导电胶粘剂层构成至少部分的印制导线，并且该印制导线与高压电路(Hochspannungselektronik)连接。在此还优选，将由导电胶粘材料构成的印制导线还设置在支撑体的侧面和没有设置导电纳米结构、即没有设置电子发射极的背面上。
相似于以上所述的环形阴极段，还提出了一种用于制造环形阴极段的方法，该环形阴极段包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置，该方法包括以下步骤：
-在非导电的、构成为环形段的支撑体上，借助分配装置在该多个发射极位置上设置形成平坦表面的导电胶粘剂层，以及
-在该多个发射极位置处在该导电胶粘剂层上分别产生具有导电纳米结构的层。
在此，可以借助导电胶粘剂以预先给定的到纳米结构的表面的距离在每个发射极位置上固定提取光栅。
此外，对于每个发射极位置，还可以由导电胶粘剂层构成至少部分的印制导线，并且该印制导线与高压电路连接，在此，该由导电胶粘材料构成的印制导线可以三维地延伸，并且在支撑体的侧面和没有设置CNT的背面上延伸。
作为分配装置建议使用在运动中自动受控的涂覆针(Auftragsnadel)，其具有用于胶粘材料的可控涂覆性能以及在该涂覆针与基底之间的可控距离。在此还有利的是，由导电胶粘剂层构成的平坦表面通过借助涂覆针的多次涂覆产生，该涂覆针的出口截面明显小于所产生的导电胶粘剂层的整个表面。在此，明显小于是指≤5％、优选≤1％的范围。为了产生平坦表面，可以对针运动的速度和/或用于胶粘材料的涂覆性能进行控制。
对于涂覆针的实现而言，一方面可以使用具有椭圆形或双椭圆形出口截面并且调节角在0°至20°、优选为5°至15°的涂覆针。替代地，在此还可以特别有利地使用具有圆形出口截面并具有同样调节角的涂覆针。
在一种特别有利的制造阴极段的实施方式中，导电胶粘剂层在涂覆到支撑体上之后，首先采用退火温度(Tempertemperatur)进行处理以进行表面调和平整
Figure BDA0000055787810000051
以及采用固化温度(Curingtemperatur)进行处理以进行硬化，在此，退火温度低于固化温度。
附加地或补充地，导电胶粘剂层还可以在涂覆到支撑体上并进行了在先的硬化过程之后被磨平。
此外特别有利的是，为间隔地定位提取光栅使用可再次去除的垫片。此外，作为特别有利的制造CNT的方法采用物理气相沉积方法(PVD，＝Physical VaporDeposition＝Physikalische Gasabscheidung)。
除了以上所述的环形阴极段，本发明还涉及一种CT系统的X射线管，其具有多个位于固定的环形阴极上的发射极位置，包括：
-由多个环形阴极段构成的阴极环，其中
-每个环形阴极段可以由弯曲的环形段形状的支撑体构成，
-在每个环形阴极段上在发射极位置上彼此绝缘地涂覆导电胶粘剂层，以及
-在每个发射极位置上在导电胶粘剂层上直接涂覆具有导电纳米结构的层。
如果使用具有构成为圆柱形、朝向中心取向的表面的段作为环形阴极段，则可以平面方式产生胶粘剂层，其中，每个小平面以其表面法线朝向环形阴极段的中心点地取向。
同样，本发明还涉及一种环形阴极管，其具有按照以上所述方法制造的环形阴极段。
附图说明
以下借助附图结合优选实施方式详细描述本发明，其中仅示出理解本发明所需的特征。在此使用了如下附图标记：1：CT系统；2：支架外壳；3：可移动患者卧榻；4：系统轴，5：患者；6：计算机系统；A：涂覆针；D1，D2：检测器；e-：电子；E1至E4：电子发射极；F，F1至F2：焦点位置；G：提取光栅；K：导电胶粘材料；L：印制导线；L1至L4：线轨；M：中点；N：面法线；NT：碳纳米管(Carbon Nano Tubes)；R：半径，S1至S4：X射线管的环形段；T：支撑体；R：半径；Prg1-Prgn：计算机程序；v：前移速度；WT：X射线管窗；α：调节角；γ：X射线。
在此，具体地：
图1示出了具有本发明的环形阴极的CT系统的3D视图；
图2示出了图1的CT系统具有四个X射线管段的环形X射线管的截面图；
图3示意性示出了具有四个由场发射极和光栅构成的阴极的环形阴极段；
图4示意性示出了利用涂覆针在表面上涂覆金属胶粘材料；
图5示出了多个彼此相叠和相邻涂覆的导电胶粘剂层的截面图；
图6示出了通过环形阴极段的发射极的截面图；
图7示出了具有多个电子发射极的环形阴极段的示意结构；
图8示出了通过图7的X-X线的截面；
图9以截面图示意性示出了按照本发明的X射线管的设置。
具体实施方式
图1示出了CT系统1的三维概况图，其具有未详细示出的、具有按照本发明的环形阴极段的环形管。该环形管位于支架壳体2中，支架壳体2在中心具有测量开口，位于可移动患者卧榻3上的患者5在利用环形X射线管从多个角位置对其进行扫描期间可以通过该开口沿系统轴线4移动。在该特殊实施方式中，支架的旋转不再是必要的。该系统的控制通过计算机系统6进行，该计算机系统还借助计算机程序Prg1-Prgn对图像数据进行分析。
图2示出了本发明的环形X射线管的截面图。该环形X射线管被分为四个分段S1至S4，这些分段又具有一个或多个阴极段，在这些阴极段中，在环形的非导电支撑体上按照以上所述的按照本发明的方式涂覆了多个发射极位置。如果对如在此举例所示的在位置E1和/或E2上的这样的发射极进行电子控制，则该电子发射极发射电子流，该电子流通过X射线管的加速电压加速到达阳极表面的焦点F1或F2，并在那里通过电子制动射线和特征X射线的制动而发出。通过这种环形管的特别结构，可以对圆周上的多个这样的发射极位置交替地进行控制，从而可以用环形管来替代否则要在支架上环绕运行的X射线管的运动。利用顺序地在多个发射极位置上产生的电子射线以及在相应的焦点位置发出的X射线，借助设置在相应的相对检测器位置上的检测器对患者5围绕系统轴4进行圆形扫描。图中举例示出两个与焦点位置F1和F2相对设置的检测器位置D1和D2。
图3详细示出了这样的环形阴极段S1的基本结构。其中示出半径为R的支撑体段T，在该支撑体段上在四个不同的位置E1至E4上涂覆有导电胶粘材料K，其通过相应地给料以及可能的后续的磨光而形成平面，在此，其面法线N朝向段中心点M的方向。在该平面上涂覆了碳纳米管NT，其在施加电压的情况下，由于碳纳米管NT尖部的极度弯曲而具有高场强，该场强导致轻微的电子发射。为了控制发射极，在碳纳米管NT上方设置了提取光栅G。
图4举例示出在以特定的给料速率挤压导电胶粘材料K并涂覆在作为履带位于其下的表面上的期间，借助具有调节角α并以前移速度v在表面上运动的涂覆针A。通过改变给料速率和/或前移速度可以期望的方式来影响涂覆的厚度。由此例如可以进行这样的涂覆：通过相应的变化来平衡支撑体的弯曲，使得新产生的胶粘剂表面在很大程度上是平的。在此，单次涂覆是不足够的，因此还可以在相同的位置上多次引导涂覆针，从而使相应数目的层彼此层叠。
图5示出这种表面的截面图，其中可以看出，表面具有波浪形的不平整性，在此以L1至L5来表示由针所涂覆的各条线并分别示出最大值。按照本发明，可以对该胶粘材料K进行些许加热，从而首先使胶粘材料的粘度降低并由此由于存在的表面张力而形成比较平坦的表面。这用虚线示出。由于在胶粘材料分散体中作为固体成分的贵金属颗粒的存在，最小表面光洁度只达到与分散在胶粘材料中的贵金属的粒度大体相当的程度。如果要达到表面的进一步均衡，则例如可以通过附加的磨光来实现。
如果现在要在这样的平坦导电表面上涂覆具有碳纳米管NT的层，则产生类似于图6所示的电子发射极E1的层结构。图6示出具有充有胶粘材料K的物体的平面，在其上碳纳米管NT彼此相邻地设置在表面上。在此还要注意，所示出的仅仅是示意图，实际中当然是不同的、也是很难示出的数量级。
为了说明结构，图7再次以截面图示出了具有5个在发射极位置E1至E5上的发射极区域的环形阴极段。如上所述，这些区域中的每个区域都具有胶粘材料层K，并且在其上涂覆有构成为纳米结构NT的场发射极，如CNT。提取光栅G借助于起分隔件或垫片作用的特定的胶粘位置以特定的距离被定位在发射极层上方。在定位该光栅G时，使用可再次去除的垫片也是很有帮助的。典型的光栅到发射极的距离为几百微米。此外，还可以看到绕支撑体T侧面延伸的、稍微有些突出的印制导线L。
图8示出通过图7的X-X线的截面。在此可以看出，如何利用以上所述的方法来实现5个发射极区域的空间设置的例子。特别是，在此也可以看到由导电胶粘材料K构成的、绕支撑体T引导的印制导线L。
图9举例示意性示出具有环形构成的真空管的环形X射线管的设置，其中环形段与支撑体T相固定，在支撑体T上在有平坦的导电胶粘材料K上有纳米结构NT，光栅G设置在纳米结构NT的上方。如果通过施加用于发射的管电压来激发这样的纳米结构，则会使电子e-向相对设置的阳极表面的焦点F加速，并在碰到那里时产生X射线γ，后者由X射线管窗口WT发出。
总之，通过按照本发明的制造方法可以实现这样的环形X射线管，其能够被以更有利的时间、有利的成本价格合理且大量地制造，由此可以实现顺序地生产具有固定的环形X射线管的CT系统。
应该理解，以上所述的本发明的特征不仅能够在各个所给出的组合中使用，而且在不脱离本发明范围的情况下还可以以其它组合或单独使用。

Claims (21)

1.一种环形阴极段，包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置(E1，E2)，其特征在于，
-所述环形阴极段在非导电的、构成为环形段的支撑体(T)上在多个发射极位置(E1，E2)处具有带有平坦表面的导电胶粘剂层(K)，以及
-在所述多个发射极位置(E1，E2)处在所述导电胶粘剂层(K)上分别形成具有导电纳米结构(NT)的层。
2.根据权利要求1所述的环形阴极段，其特征在于，以预先给定的到所述纳米结构(NT)的表面的距离在每个发射极位置(E1，E2)上固定提取光栅(G)。
3.根据权利要求1或2所述的环形阴极段，其特征在于，对于每个发射极位置(E1，E2)，由导电胶粘剂层(K)构成至少部分的印制导线(L)，并且所述印制导线(L)与高压电路连接。
4.根据权利要求3所述的环形阴极段，其特征在于，所述由导电胶粘材料(K)构成的印制导线(L)三维地延伸。
5.根据权利要求4所述的环形阴极段，其特征在于，所述由导电胶粘材料(K)构成的印制导线(L)还在所述支撑体(T)的侧面和没有设置CNT的背面上延伸。
6.一种用于制造环形阴极段的方法，该环形阴极段包括多个位于X射线管的环形阴极上的发射极位置(E1，E2)，该方法包括以下步骤：
-在非导电的、构成为环形段的支撑体(T)上，借助分配装置(A)在所述多个发射极位置(E1，E2)上涂覆形成平坦表面的导电胶粘剂层(K)，以及
-在多个发射极位置(E1，E2)处在所述导电胶粘剂层(K)上分别产生具有导电纳米结构(NT)的层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以预先给定的到所述纳米结构(NT)的表面的距离借助导电胶粘材料(K)在每个发射极位置(E1，E2)上固定提取光栅(G)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，对于每个发射极位置(E1，E2)，由导电胶粘剂层(K)产生至少部分的印制导线(L)，并且所述印制导线(L)与高压电路连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述由导电胶粘材料(K)产生的印制导线(L)三维地延伸。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述由导电胶粘材料(K)产生的印制导线(L)还在所述支撑体(T)的侧面和没有设置CNT的背面上延伸。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，作为所述分配装置使用在运动中自动受控的涂覆针(A)，其具有用于胶粘材料(K)的可控涂覆性能以及在该涂覆针(A)与基底之间的可控距离。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述由导电胶粘剂层(K)构成的平坦表面通过借助所述涂覆针(A)的多次涂覆产生，该涂覆针(A)的出口截面明显小于所形成的导电胶粘剂层的整个表面。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，为了产生所述平坦表面，对针运动的速度(v)和/或所述用于胶粘材料(K)的涂覆性能进行控制。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有椭圆形或双椭圆形出口截面的涂覆针(A)，并且调节角(α)为0°至20°，特别是5°至15°。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有圆形出口截面的涂覆针(A)，并且调节角(α)为0°至20°，特别是5°至15°。
16.根据权利要求6至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述导电胶粘剂层(K)在涂覆到所述支撑体(T)上之后，首先采用退火温度进行处理以进行表面调和平整以及采用固化温度进行处理以进行硬化，其中，退火温度低于固化温度。
17.根据权利要求6至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述导电胶粘剂层(K)在涂覆在所述支撑体(T)上以及进行在先的硬化过程之后被磨平。
18.根据权利要求6至17中任一项所述的方法，其特征在于，为间隔地定位所述提取光栅(G)使用可再次去除的垫片。
19.根据权利要求6至18中任一项所述的方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法产生所述纳米结构(NT)。
20.一种CT系统的环形X射线管，具有多个位于固定的环形阴极上的发射极位置(E1，E2)，该环形X射线管包括：
-由多个环形阴极段构成的阴极环，其中
-每个环形阴极段由弯曲的环形段形状的支撑体(T)构成，
-在每个环形阴极段上在发射极位置(E1，E2)处彼此绝缘地涂覆导电胶粘剂层(K)，以及
-在每个发射极位置处上在导电胶粘剂层(K)上直接涂覆具有导电纳米结构(NT)的层。
21.根据权利要求20所述的环形X射线管，其特征在于，该环形X射线管具有按照根据权利要求6至19中任一项所述的方法制造的环形段。
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