DE10012203C1 - Thermionischer Flachemitter - Google Patents

Abstract

Es wird ein thermionischer Flachemitter vorgestellt, der von Stromzuführungen bildenden und an Anschlusselementen (4, 5) befestigten Emitterbeinen (2, 3) gehalten ist und dessen Emissionsfläche durch im wesentlichen spiral- oder mäanderförmig verlaufende Schlitze (6) gebildete Leiterbahnen (7) aufweist. Zur Vermeidung von Verwerfungen der Leiterbahnen wird vorgeschlagen, die Emitterbeine mit Kompensationsmitteln (13 bis 15) zu versehen oder durch solche (10 bis 12) miteinander zu verbinden, welche die bei Erwärmung der Emissionsfläche auftretenden Verformungen kompensieren und die Übergangsstelle (9) vom Emitter (1) zu den Emitterbeinen (2, 3) weitgehend mechanisch spannungsfrei halten. Die Kompensationsmittel können ein oder mehrere, die Emitterbeine miteinander verbindende Abstandselemente aus Strom leitendem Material enthalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermionischen Flach­ emitter entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher thermionscher Flachemitter, der von Stromzuführun­ gen bildenden und an Anschlußelementen befestigten Emitter­ beinen gehalten ist und dessen Emissionsfläche durch im We­ sentlichen spiral- oder mäanderförmig verlaufende Schlitze gebildete Leiterbahnen aufweist, ist in der DE 27 27 907 C2 beschrieben.

Problematisch bei solchen Flachemittern ist, dass sich auf­ grund der Wärmeableitung durch die Kontaktierung ein unver­ meidliches Temperaturgefälle zu den Befestigungsenden hin er­ gibt. Dieses Temperaturgefälle bewirkt eine größere Ausdeh­ nung der heißen Emissionsfläche gegenüber den kontaktierten Enden. Die Wärmeausdehnung kann bei einem 5 mm großen Flach­ emitter und einer Aufheizung auf 2300°C etwa 70 µm betragen. Insbesondere bei den geschlitzten, relativ dünnen Flachemit­ tern kann eine solche Wärmeausdehnung zu deutlichen Verwer­ fungen bzw. Durchbiegungen der Leiterbahnen auf der Emissi­ onsfläche führen. Besonders unangenehm macht sich dieser Ef­ fekt beim ersten Aufheizen nach der Montage bemerkbar. Das Material des verbogenen Emitters rekristallisiert bei den ho­ hen Temperaturen, die gebogene Form des Emitters wird dann spannungsfrei, wodurch die Leiterbahnen des Emitters nach dem Abkühlen ihre durchgebogene Form zumindest teilweise beibe­ halten. Bei mäanderförmig geschlitzten Emittern ergibt sich durch die thermischen Spannungen zusätzlich noch ein Verwer­ fen der einzelnen Segmente gegeneinander. Dies kann unter an­ derem zu einer negativen Beeinflussung der Elektronenoptik führen. Hinzu kommt, dass aufgrund der Befestigung des Emit­ ters an den Emitterbeinen und der starren Befestigung der E­ mitterbeine an den Anschlusselementen an denjenigen Stellen des Emitters, an denen die Emitterbeine befestigt sind, also an der Übergangsstelle vom Emitter zu den Emitterbeinen, ein relativ hohes Biegemoment auf den Emitter und damit auf die Leiterbahnen wirkt, wodurch eine Verformung noch verstärkt wird.

In der DE 22 15 784 C3 ist ein thermionischer Flachemitter beschrieben, der ein aus einem Metallband bestehendes Heiz­ element aufweist, das einen flachen Teil mit einem damit ver­ bundenen Kathodenbasisplättchen und ein Paar Emitterbeine aufweist, wobei das Kathodenbasisplättchen mit einer thermio­ nischen Emissionsschicht versehen ist. Um durch thermischen Ausdehnungen bedingte örtliche Verlagerungen der Emissions­ schicht entgegen zu wirken, ist vorgesehen, das Heizelement aus einem Metallband spezieller mechanischer und elektrischer Eigenschaften sowie spezieller Abmessungen zu bilden. Außer­ dem sind spezielle Abmessungen des Kathodenbasisplättchens vorgesehen.

Der im Patentanspruch 1 angegeben Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Emitter der eingangs genannten Gattung so zu gestalten, daß sich die geschilderten negativen Auswirkungen der thermischen Spannungen auf einen Verzug des Emitters ver­ meiden bzw. in Grenzen halten lassen. Die anzugebenden Maß­ nahmen sollen mit einfach herzustellenden Bauteilen reali­ sierbar sein.

Die Erfindung fußt auf der Erkenntnis, durch bestimmte kon­ struktiv gestaltete mechanische Kompensationsmittel die "An­ griffspunkte" der Emitterbeine, also die Übergangsstelle vom Emitter zu den Emitterbeinen, mechanisch spannungsfrei zu ma­ chen, wodurch sich Wärmeausdehnungen am Emitter kompensieren lassen.

Die Kompensationsmittel können mit Vorteil ein oder mehrere Abstandselemente umfassen, die stab-, streifen- oder scheiben­ förmig gestaltet sind und parallel zum Emitter an den Emitter­ beinen befestigt werden. Die Abstandselemente bestehen aus stromleitendem Material, so dass sie vom Strom durchflossen und dadurch bei Betrieb mit aufgeheizt werden. Bei entspre­ chend dimensionierten Abmessungen und angepasster Wahl des Materials kann so erreicht werden, dass sich die Abstandsele­ mente im gleichen Maße wie der Emitter ausdehnen. Im Falle eines einzigen Abstandselementes läßt sich bereits ein auf den Emitter wirkendes Biegemoment kompensieren.

Sieht man zwei Abstandselemente vor, so läßt sich die Über­ gangsstelle vom Emitter auf die Emitterbeine frei von Biege­ momenten und Zugspannungen halten. Vorausgesetzt wird, wie oben bereits angesprochen, dass die verwendeten Teile elek­ trisch und ausdehnungstechnisch aufeinander abgestimmt sind. Darauf wird später noch näher eingegangen.

Alternativ oder auch additional zu den erwähnten Abstandsele­ menten können die Kompensationsmittel vorteilhafterweise ein zwischen den Emitterbeinen und den Anschlusselementen angeordnetes elastisches Glied umfassen. Ein solches elastisches Glied soll eine vergleichsweise hohe Steifigkeit gegen late­ rale Verschiebung und Kippung, dagegen eine niedrige Steifig­ keit gegen axiale Verschiebung aufweisen. Die Emitterbeine können dadurch in dem Maße, indem es zur Kompensation der Wärmeausdehnung des Emitters notwendig ist, beweglich gestal­ tet werden. Bei einer Wärmeausdehnung des Emitters können die Emitterbeine dieser Ausdehnung soweit folgen, dass auf den Emitter nur noch ein vernachlässigbar kleines Biegemoment wirkt.

Besonders vorteilhaft ist es, als elastisches Glied eine Spi­ ralblattfeder zu verwenden, weil eine solche Feder einerseits eine sehr hohe Steifigkeit in der Ebene der Feder, also gegenüber lateralen Verschiebungen und Torsion, und eine mittlere Stei­ figkeit gegenüber einer Verkippung, dagegen eine extrem ge­ ringe Steifigkeit bei axialer Verschiebung, also quer zur Fe­ derebene, aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführung eines Flachemitters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Variante zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführung,

Fig. 3 eine weitere Variante zu der in Fig. 1 gezeigten Aus­ führung,

Fig. 4 eine weitere Ausführung eines Flachemitters nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt in einer schaubildlichen Darstellung einen Flachemitter, wie er typischerweise bei Drehkolbenröhren von Röntgeneinrichtungen zum Einsatz kommen kann.

Der Flachemitter 1 besteht aus einem dünnen runden Blechteil von etwa 5 mm Durchmesser und etwa 0,1 mm Wandstärke, an dem diametral Emitterbeine 2, 3 angeformt sind. Die freien Enden der Emitterbeine sind an abgewinkelten Anschlusselementen 4, 5 befestigt, die in geeigneter Weise mit nicht dargestellten Stromleitungen für den Heizstrom verbunden sind. Das Blech­ teil bildet die Emissionsfläche, welche durch spiralförmig angeordnete Schlitze 6 in Leiterbahnen 7 so unterteilt ist, dass der Heizstrom vom einen Emitterbein kommend über den Mittelpunkt des Emitters zum anderen Emitterbein fließen kann.

Wie eingangs angesprochen, werden aus den angegebenen Gründen bei Betrieb der Röntgenröhre die frei endenden Spiralzungen 8 der Leiterbahnen bis zu 20 µm (in Extremfällen noch höher) gegeneinander verbogen, was aus Emissionsgründen nicht tole­ riert werden kann. Um solche Verwerfungen zu vermeiden, wer­ den die mit 9 bezeichneten Übergangsstellen vom Emitter 1 zu den Emitterbeinen 2, 3 mechanisch spannungsfrei gemacht. Dies geschieht in einer ersten Version dadurch, dass die Emitter­ beine durch ein Abstandselement 10 miteinander verbunden wer­ den. Das Abstandselement 10 verläuft parallel zur Emissions­ fläche und kann einarmig oder, wie dargestellt, zweiarmig ausgeführt sein. Das Abstandselement 10 kann in Form eines Stabes oder, wie dargestellt, in Form eines schmalen Strei­ fens hergestellt sein. Letztere Version hat den Vorteil, dass sich Emitter und Emitterbeine in einem Arbeitsgang aus einem Stück Blech herstellen lassen. Die Befestigung der Enden des Abstandselementes 10 am Emitterbein 3 erfolgt durch Punkt­ schweißen.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante, bei der anstelle eines zwei­ armigen Abstandselements zwei einzelne, einarmige Abstands­ elemente 11, 12 parallel zum Emitter vorgesehen sind. Die Ab­ standselemente sind mit Formschluß an den Emitterbeinen so befestigt, dass sich die Emitterbeine nicht unkontrolliert verbiegen können. Das obere Abstandselement 11 ist deshalb außen und das darunter befindliche Abstandselement 12 innen am Emitterbein angeschweißt. Vorteil dieser Variante ist auch, dass evtl. auf das obere Abstandselement wirkende Zug­ beanspruchungen gut abgefangen werden.

Die Abstandselemente bestehen aus Strom leitendem Material und dehnen sich bei Stromdurchfluss aus. Um aus werkstofftech­ nischer Sicht eine Anpassung an den Emitter zu bekommen, sind die Abstandselemente aus einem Material gefertigt, welches hinsichtlich seiner Ausdehnung dem des Emitters gleicht oder weitgehend entspricht.

Vorteilhafterweise wählt man als Werkstoff für die Abstands­ elemente aus der Familie der Wolfram-Fe-Legierungen eine Le­ gierung mit relativ hohem elektrischem Widerstand aus und di­ mensioniert die Abstandselemente so, dass ihr Widerstand etwa dem des Emitters entspricht. Bei Stromfluß ergibt sich so ei­ ne annähend gleiche geometrische Ausdehnung von Emitter und Abstandselementen. Alternativ zu den erwähnten Materialien kommen Nb, Ta, Re, Mo oder ein Werkstoff auf der Basis eines Molybdäns infrage.

Vorteilhaft kann es sein, die Abstandselemente mit einer ge­ eigneten Keramikschicht zu versehen. Die Keramikschicht nimmt einen Teil der Strahlungswärme des Emitters auf, was dazu führt, dass durch die Abstandselemente weniger Heizstrom zu fließen braucht als ohne Beschichtung, wodurch man letztlich mit einem geringeren Heizstrom dieselbe Ausdehnung erreichen kann wie für den Emitter.

Anstelle einer keramischen Beschichtung können die Abstands­ elemente auch vor ihrer Befestigung an den Emitterbeinen mit keramischen Hülsen versehen werden.

Die Abstandselemente können mit Vorteil, wie der Emitter selbst, scheibenförmig ausgeführt sein, was die Herstellung der Teile vereinfachen würde.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante, die alternativ oder auch ad­ ditional zu den vorbeschriebenen Varianten eingesetzt werden kann. Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird, um die Steifigkeit der Emitterbeine zu verringern und damit eine gewisse Nach­ giebigkeit zu erreichen, die Länge der Emitterbeine durch ei­ nen mäanderartigen Abschnitt 13 vergrößert. Damit läßt sich einerseits ein mechanischer Spannungsabbau und andererseits, wenn er­ wünscht, Platz zur Unterbringung der vorerwähnten Abstands­ elemente schaffen.

Die Fig. 4 zeigt eine Version, bei der zwischen den Enden der Emitterbeine 2, 3 und den Anschlusselementen 4, 5 jeweils Spi­ ralblattfedern 14, 15 eingebaut sind. Die Emitterbeine 2, 3 sind dadurch insoweit beweglich, als es zur Kompensation der Wärmeausdehnung des Emitters erforderlich ist. Auf den Emit­ ter kann deshalb kein oder nur ein sehr geringes Biegemoment wirken. Die Spiralblattfedern 14, 15 bestehen aus einem der vorerwähnten Materialien und sind durch Punktschweißen an den Emitterbeinen bzw. an den Anschlusselementen 4, 5 befestigt, wobei die Emitterbeine in der Mitte, also am inneren Ende, und die Anschlusselemente am äußeren Ende der Spiralblattfe­ dern befestigt sind. Bei einer Wärmeausdehnung des Emitters drücken die Emitterbeine auf die Mitte der Spiralblattfedern, wodurch diese quer zur Ebene der Federn ausweichen können.

Spiralblattfedern haben den Vorteil, dass sie sich den Gege­ benheiten gut anpassen und ausreichend nachgiebig konstruie­ ren lassen. Außerdem lassen sie sich sehr kostengünstig her­ stellen.

Claims (14)

1. Thermionischer Flachemitter, der von Stromzuführungen bil­ denden und an Anschlusselementen (4, 5) befestigten Emitter­ beinen (2, 3) gehalten ist und dessen Emissionsfläche durch im wesentlichen spiral- oder mäanderförmig verlaufende Schlitze (6) gebildete Leiterbahnen (7)aufweist, da­ durch gekennzeichnet, dass die Emit­ terbeine (2, 3) mit Kompensationsmitteln (13 bis 15) versehen oder durch solche (10 bis 12) miteinander verbunden sind, welche die bei Erwärmung der Emissionsfläche auftretenden Verformumgen kompensieren und die Übergangsstellen (9) vom Emitter (1) zu den Emitterbeinen (2, 3) weitgehend mechanisch spannungsfrei halten.

2. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kompen­ sationsmittel wenigstens ein die Emitterbeine (2, 3) mitein­ ander verbindendes Abstandselement (10, 11, 12) aus Strom leitendem Material enthalten.

3. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass das Ab­ standselement (10, 11, 12) als stab- oder streifenförmiger Verbindungssteg ausgeführt ist.

4. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass das Ab­ standselement (10, 11, 12) als Scheibe ausgeführt ist.

5. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, dass das Ab­ standselement (10, 11 12) der Form der Emissionsfläche ent­ spricht und vorzugsweise aus demselben Material wie der Emit­ ter (1) gefertigt ist.

6. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 2 bis S. dadurch gekennzeichnet, dass . zwei parallel zur Emissionsfläche angeordnete Abstandselemente (11, 12) vorgesehen sind.

7. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das (die) Abstandselement(e) (10 bis 12) zumindest teilweise mit Keramikmaterial umgeben ist (sind).

8. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Emitter (1) und die Emitterbeine (2, 3) einstü­ ckig ausgebildet sind.

9. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abstandselement (10) an einem Emitterbein (2, 3) angeformt ist.

10. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abstandselement (11) die Emitterbeine (2, 3) mit Formschluss umgreift.

11. Thermionischer Flachemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterbeine (2, 3) einen quer zu ihrer Längsausdeh­ nung mäanderförmig verlaufenden Abschnitt (13) aufweisen.

12. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kompen­ sationsmittel ein zwischen den Emitterbeinen (2, 3) und den Anschlusselementen (4, 5) angeordnetes elastisches Glied (14, 15) umfassen, welches eine vergleichsweise hohe Steifigkeit gegen laterale Verschiebung und Kippung, dagegen eine vergleichsweise niedrige Steifigkeit gegen axiale Verschiebung aufweist.

13. Thermionischer Flachemitter nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, dass als elasti­ sches Glied eine Spiralblattfeder (14, 15) vorgesehen ist, an deren innerem Ende das eine Emitterbein (2, 3) und an deren äußerem Ende das eine Anschlusselement (4, 5) befestigt ist.

14. Thermionischer Flachemitter nach einem der bisherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterbeine (2, 3) und/oder die Kompensationsmittel (10 bis 15) aus Wolfram, Tantal, Rhenium, Niob oder Molybdän oder einer Legierung auf der Basis dieser Werkstoffe beste­ hen.