DE10135995A1

DE10135995A1 - Direktgeheizter thermionischer Flachemitter

Info

Publication number: DE10135995A1
Application number: DE10135995A
Authority: DE
Inventors: Erich Hell; Detlef Mattern
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: US6646366B2; DE10135995C2; US20030025429A1

Abstract

Es wird ein direktgeheizter thermoionischer Flachemitter vorgestellt, dessen vorzugsweise kreisförmige Emissionsfläche (10) durch Schlitze (12) in Leiterbahnen (11) unterteilt ist, die von am Umfangsrand angeordneten, Stromführungen bildenden Anschlussfahnen (4) getragen werden. Erfindungsgemäß sind an den äußeren Leiterbahnen (11) vorzugsweise kreisringförmige Segmente (17) angeordnet, die durch schmale Stege (18) mit den Leiterbahnen (11) des Emitters (3) verbunden sind, untereinander jedoch keine Verbindung haben. Die Stege (18) sind so angeordnet und bemessen, dass von den Leiterbahnen (11) praktisch kein Strom zu den Segmenten (17) fließen kann und eine Wärmeleitung auf die Segmente (17) weitgehend unterbunden wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen direktgeheizten thermionischer Flachemitter, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Thermionische Flachemitter der vorgenannten Gattung, wie sie beispielsweise in der US-PS 6 115 453 oder DE 100 16 125 A1 beschrieben sind, werden in Röntgenröhren, insbesondere in Drehkolbenröntgenröhren eingesetzt. Der die Emissionsfläche bildende Teil des Emitters ist in der Regel kreis- oder scheibenförmig ausgebildet und besteht aus einem dünnen, ca. 100 µm starken Wolframblech. Um im Betrieb Elektronen zu emittieren, wird die Emissionsfläche auf über 2000°C aufgeheizt. Eine Emission der Elektronen findet dann überall dort statt, wo ein genügend hohes elektrisches Feld die emittierten Elektronen absaugt. Die Elektronenoptik wird dabei durch alle potentialführenden Elemente in Nähe des Emitters bestimmt. Besonders beeinflussend auf die Form des Brennfleckes sowie auf die Verteilung des Brennfleckes auf der Anode ist der Sitz des Emitters bezüglich des Kathodenkopfes. Um Kurzschlüsse zwischen Emitter und Kathodenkopf zu vermeiden, ist die Bohrung im Kathodenkopf etwa 0,4 mm größer gewählt als der Durchmesser des Emitters. Es hat sich gezeigt, dass der sich dadurch ergebende Spalt von ca. 0,2 mm zwischen Emitter und Kathodenkopf die Elektronentrajektorien im Randbereich des Emitters verbiegt. Dieser Effekt wirkt sich negativ auf die Brennfleckbelegung und damit letztlich auf die Bildqualität des mit der Röhre erzeugten Röntgenbildes aus. Durch Tieferlegen des Emitters kann dieser Nachteil zwar teilweise ausgeglichen, jedoch nicht gänzlich beseitigt werden.
Das Tieferlegen des Emitters führt außerdem zu einem weiteren negativen Effekt, nämlich, dass die Elektronen von der Rückseite des Emitters her emittiert werden.
Diese beiden Effekte, die Verbiegung des elektrischen Feldes und die Emission der Elektronen von der Rückseite des Emitters tragen zu einem Halo in der Brennfleckbelegung der Drehkolbenröhre bei. Dieser Halo verschlechtert letztlich die Bildqualität bei der praktischen Anwendung der Drehkolbenröhre, beispielsweise in der Computertomographie.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und einen insbesondere in Drehkolbenröntgenröhren einsetzbaren direktgeheizten thermionischen Emitter der eingangs genannten Gattung anzugeben, bei dem eine Verbiegung der Elektronentrajektorien im Randbereich des Emitters und eine Elektronenemission von der Rückseite des Emitters vermieden werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung von Segmenten wird um den Emitter ein zusätzlicher, nichtemittierender Ring gebildet, der dafür sorgt, dass die Äquipotentialflächen auch am Rand der emittierenden Fläche des Emitters unverzerrt bleiben. Durch den Ring wird eine größere Distanz zwischen dem Spalt am Kathodenkopf und dem äußeren Rand der Emissionsfläche des Emitters geschaffen, wodurch der Einfluss auf die Elektronentrajektorien nahezu vernachlässigbar klein gehalten wird. Der so geschaffene zusätzliche Ring bewirkt außerdem eine Reduzierung der Feldstärke auf der Rückseite des Emitters so dass weniger Elektronen von der Rückseite des Emitters abgesaugt werden.
Anhand der Zeichnung werden zunächst eine Ausführung nach dem Stand der Technik und anschließend zwei Ausführungsbeispiele nach der Erfindung aufgezeigt.
Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kathode einer Elektronenstrahlröhre mit einem direktgeheizten Flachemitter herkömmlicher Bauart,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Emitter nach Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Emitters nach der Erfindung, und
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines Emitters nach der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Kathode einer Röntgenröhre mit einem Wehneltzylinder 1, in dessen zentraler Bohrung 2 ein Flachemitter 3 angeordnet ist. Der Flachemitter 3 hat eine kreisförmige Emissionsfläche 10 und ist mit Anschlussfahnen 4 versehen die an Stromzuführungsstäben 5 angeschweißt sind. Die Anschlussfahnen 4 übernehmen neben der Funktion der Stromzuleitung auch die Funktion der mechanischen Halterung des Emitters 3. Die Stromzuführungsstäbe 5 sind durch Röhrchen 6 aus einem Isolatorteil 7 nach außen geführt und dort in an sich bekannter Weise mit elektrischen Kontaktdrähten 8 kontaktiert.
Die Fig. 2 zeigt den Flachemitter 3 in der Draufsicht. Die Emitterfläche 10 hat einen äußeren Durchmesser von etwa 5 mm und ist durch mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen 11 gebildet. Die Leiterbahnen 11 sind durch Schlitze 12 gebildet die mittels eines Lasers in ein dünnes Wolframblech geschnitten werden. Die Anschlussfahnen 4 sind senkrecht zur Papierebene nach unten abgebogen.
Anhand der Fig. 3, die den in Fig. 1 gestrichelt angegebenen Ausschnitt vergrößert wiedergibt, wird die eingangs angesprochene Problematik aufgezeigt.
Die Emitterfläche 10 ist gegenüber dem Boden 13 des Kathodenkopfes 14 um etwa 100 µm tiefer gesetzt angeordnet. Um Kurzschlüsse zwischen dem Emitter und dem Kathodenkopf zu vermeiden, ist die Bohrung 2 um etwa 0,4 mm größer gehalten als der Emitterdurchmesser. Der sich dadurch ergebende Spalt 15 verbiegt im Betrieb die Elektronentrajektorien im Randbereich des Emitters. Dieser Effekt ist durch die Darstellung der elektrischen Feldlinien mit dem schrägen Verlauf des einen Pfeiles kenntlich gemacht.
Wie bereits angesprochen, tragen das Verbiegen der Elektronentrajektorien im Randbereich und die Elektronenemission von der Rückseite des Emitters zu einem Halo in der Brennfleckbelegung der Drehkolbenröhre bei. Dieser Halo verschlechtert die MTF (Modulation Transfer Function) und damit die Bildqualität, insbesondere bei der Anwendung in der CT-Technik.
Die in den Fig. 4 und 5 vorgestellten Ausführungen beseitigen die angesprochenen Nachteile.
Bei dem in Fig. 4 in einer Draufsicht dargestellten Emitter sind an den beiden äußeren Abschnitten 16 der Leiterbahnen 11 mehrere kreisringförmige Segmente 17 "angedockt" die in ihrer Gesamtheit eine kreisringförmige Kontur bilden. Das "Andocken" geschieht durch schmale, etwa 100 bis 200 µm breite Stege 18. Zwischen den einzelnen Segmenten 17 befindet sich ein enger Spalt 19, die Segmente sind also nicht direkt miteinander verbunden.
Die Stegbreite ist so bemessen, dass über sie kein nennenswerter Strom aus den Leiterbahnen in die Segmente 17 fließen kann. Demnach tritt auch keine größere Erwärmung und damit Temperaturerhöhung durch Wärmeleitung in den Segmenten auf. Der äußere, durch die Segmente gebildete Ring bleibt deshalb weitgehend kalt, so dass die Segmente auch keine Elektronen emittieren können. Eine dennoch über die Stege zugeführte (geringe) Wärme wird durch Strahlung an den Segmenten wieder abgegeben.
Die rechtwinkelige Abkantung der Anschlussfahnen 4 kann wie dargestellt, im Bereich der äußeren Kontur der Segmente oder auch, wie gestrichelt (Pos. 20 in Fig. 4) eingezeichnet, im Bereich der inneren Kontur der Segmente erfolgen.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind die den Anschlussfahnen 4 benachbarten Segmente 17 nicht über Stege verbunden, sondern direkt an den Enden der Leiterbahnen angeordnet. Zweckmäßigerweise kann diese Verbindung gleich bei der Fertigung des Emitters durch entsprechende Laserschnitte hergestellt werden. Das Abkanten der Anschlussfahnen erfolgt in diesem Fall zweckmäßigerweise etwas weiter außen.
Durch den durch die Segmente gebildeten zusätzlichen Ring, an dem keine Elektronenemission stattfindet, ergibt sich in Betrachtung der Fig. 3 überall ein gleichmäßiger, gerader Verlauf der Elekronentrajektorien sowie ein homogener Feldlinienverlauf. Denn zum einen wird der Spalt, aus dem unerwünscht Elektronen austreten könnten, bis auf die Schnittbreite des Lasers von wenigen 10 µm reduziert, zum anderen bleiben die Äquipotentialflächen auch am Rand der emittierenden Leiterbahnen unverzerrt. Der für die Kurzschlusssicherheit erforderliche Spalt zum Kathodenkopf hat durch die Breite der zusätzlichen Segmente nunmehr eine sehr viel größerer Distanz als bei Ausführungen nach dem Stand der Technik. Der Einfluss auf die Elektronentrajektorien ist somit erheblich geringer. Elektronen von der Rückseite des Emitters müssen um den äußeren segmentierten Ring herum fliegen um zur Vorderseite zu kommen. Da die Feldstärke auf der Rückseite durch den zusätzliche Ring stark reduziert wird, bleibt eine Emission von der Rückseite des Emitters her vernachlässigbar klein.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen sich nicht nur auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten mäanderförmig ausgebildeten Emitter anwenden lassen, die vorgeschlagene Lösung eines zusätzlichen Ringes um den Flachemitter ist vielmehr auch bei anderen Flachemittern, wie beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 100 29 253 A1 beschrieben, anwendbar.

Claims

1. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter, dessen vorzugsweise kreisförmige Emissionsfläche (10) durch Schlitze (12) in Leiterbahnen (11) unterteilt ist, die von am Umfangsrand angeordneten Stromführungen bildenden Anschlussfahnen (4) getragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass an den äußeren Leiterbahnen (11) vorzugsweise kreisringförmige Segmente (17) angeordnet sind, die durch schmale Stege (18) mit den Leiterbahnen (11) des Emitters (3) verbunden sind, untereinander jedoch keine Verbindung haben, und die Stege (18) so angeordnet und bemessen sind, dass von den Leiterbahnen (11) praktisch kein Strom zu den Segmenten (17) fließen kann und eine Wärmeleitung auf die Segmente (17) weitgehend unterbunden wird.

2. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Halterung der Stege (18) pro Segment (17) ein Steg (18) vorgesehen ist.

3. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Anschlussfahnen (4) benachbarten Segmente (17) direkt mit den Anschlussfahnen (4) verbunden sind. (Fig. 5)

4. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite der Stege (18) zur Breite der Leiterbahnen (11) im Bereich zwischen 1 : 6 und 1 : 12 liegt.