DE10135995C2 - Direktgeheizter thermionischer Flachemitter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen direktgeheizten thermio­ nischer Flachemitter, entsprechend dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 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 e­ mittieren, wird die Emissionsfläche auf über 2000°C aufge­ heizt. Eine Emission der Elektronen findet dann überall dort statt, wo ein genügend hohes elektrisches Feld die emittier­ ten Elektronen absaugt. Die Elektronenoptik wird dabei durch alle potentialführenden Elemente in Nähe des Emitters be­ stimmt. 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 Kurz­ schlüsse 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 Bildquali­ tät des mit der Röhre erzeugten Röntgenbildes aus. Durch Tie­ ferlegen 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 Rück­ seite des Emitters her emittiert werden.

Diese beiden Effekte, die Verbiegung des elektrischen Feldes und die Emission der Elektronen von der Rückseite des Emit­ ters tragen zu einem Halo in der Brennfleckbelegung der Dreh­ kolbenröhre bei. Dieser Halo verschlechtert letztlich die Bildqualität bei der praktischen Anwendung der Drehkolbenröh­ re, beispielsweise in der Computertomographie.

In der DE 199 11 081 A1 ist ein direkt geheizter thermioni­ scher Emitter beschrieben, dessen kreisförmige Emissionsflä­ che einen inneren und einen äußeren am Umfangsrand befindli­ chen Abschnitt aufweist und durch Schlitze in eine Leiterbahn unterteilt ist. Diese wird von am Umfangsrand angeordneten Stromführungen bildenden Anschlussfahnen getragen, wobei im äußeren Abschnitt an die Leiterbahn vorzugsweise kreisring­ förmige Segmente angeordnet sind. Diese stellen jeweils einen Abschnitt der Leiterbahn dar und weisen an ihren freien Enden zusätzliche Anschlussfahnen auf, so dass die gesamte Leiter­ bahn einschließlich der Segmente oder die Leiterbahn ohne die Segmente beheizt werden kann. Es ist so möglich, die Größe des beheizten Bereichs der Emissionsfläche zu verändern.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf­ gabe 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 Elektronentra­ jektorien im Randbereich des Emitters und eine Elektronen­ emission von der Rückseite des Emitters vermieden werden kann.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung von Seg­ menten wird um den Emitter ein zusätzlicher, nichtemittieren­ der Ring gebildet, der dafür sorgt, dass die Äquipotenti­ alflächen 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 Elektronen­ strahlröhre 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 ei­ nes Emitters nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiten Aus­ führungsform 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 Stromzuführungsstä­ ben 5 angeschweißt sind. Die Anschlussfahnen 4 übernehmen neben der Funktion der Stromzuleitung auch die Funktion der mechanischen Halterung des Emitters 3. Die Stromzuführungs­ stäbe 5 sind durch Röhrchen 6 aus einem Isolatorteil 7 nach außen geführt und dort in an sich bekannter Weise mit elekt­ rischen 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 eine mäanderförmig verlaufende Leiterbahn 11 ge­ bildet. Die Leiterbahn 11 ist durch Schlitze 12 gebildet, die mittels eines Lasers in ein dünnes Wolframblech geschnit­ ten werden. Die Anschlussfahnen 4 sind senkrecht zur Papier­ ebene nach unten abgebogen.

Anhand der Fig. 3, die den in Fig. 1 gestrichelt angegebe­ nen Ausschnitt vergrößert wiedergibt, wird die eingangs ange­ sprochene Problematik aufgezeigt.

Die Emitterfläche 10 ist gegenüber dem Boden 13 des Kathoden­ kopfes 14 um etwa 100 µm tiefer gesetzt angeordnet. Um Kurz­ schlüsse zwischen dem Emitter und dem Kathodenkopf zu vermei­ den, ist die Bohrung 2 um etwa 0,4 mm größer gehalten als der. Emitterdurchmesser. Der sich dadurch ergebende Spalt 15 ver­ biegt 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 Elektro­ nentrajektorien im Randbereich und die Elektronenemission von der Rückseite des Emitters zu einem Halo in der Brennfleckbe­ legung der Drehkolbenröhre bei. Dieser Halo verschlechtert die MTF (Modulation Transfer Function) und damit die Bildqua­ lität, insbesondere bei der Anwendung in der CT-Technik.

Die in den Fig. 4 und 5 vorgestellten Ausführungen besei­ tigen die angesprochenen Nachteile.

Bei dem in Fig. 4 in einer Draufsicht dargestellten Emitter sind an den beiden äußeren Abschnitten 16 der Leiterbahn 11 mehrere kreisringförmige Segmente 17 'angedockt' die in ihrer Gesamtheit eine kreisringförmige Kontur bilden. Das 'Ando­ cken' 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 mit­ einander verbunden.

Die Stegbreite ist so bemessen, dass über sie kein nennens­ werter 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, son­ dern direkt an den Enden der Leiterbahn angeordnet. Zweck­ mäßigerweise 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 Be­ trachtung der Fig. 3 überall ein gleichmäßiger, gerader Ver­ lauf der Elekronentrajektorien sowie ein homogener Feldli­ nienverlauf. Denn zum einen wird der Spalt, aus dem uner­ wünscht Elektronen austreten könnten, bis auf die Schnitt­ breite des Lasers von wenigen 10 µm reduziert, zum anderen bleiben die Äguipotentialflächen auch am Rand der emittieren­ den Leiterbahn unverzerrt. Der für die Kurzschlusssicher­ heit erforderliche Spalt zum Kathodenkopf hat durch die Brei­ te 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 Vorder­ seite zu kommen. Da die Feldstärke auf der Rückseite durch den zusätzliche Ring stark reduziert wird, bleibt eine Emis­ sion von der Rückseite des Emitters her vernachlässigbar klein.

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsge­ mäßen Maßnahmen sich nicht nur auf die in den Ausführungsbei­ spielen 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 vorveröffent­ lichten DE 100 29 253 A1 beschrieben, anwendbar.

Claims (4)

1. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter, dessen vor­ zugsweise kreisförmige Emissionsfläche (10) einen inneren und einen äußeren am Umfangsrand befindlichen Abschnitt aufweist und durch Schlitze (12) in eine Leiterbahn (11) unterteilt ist, die von am Umfangsrand angeordneten Stromführungen bil­ denden Anschlussfahnen (4) getragen wird, wobei im äußeren Abschnitt an die Leiterbahn (11) vorzugsweise kreisringförmi­ ge Segmente (17) angeordnet sind, die durch schmale Stege (18) mit der Leiterbahn (11) verbunden sind, untereinander jedoch keine Verbindung haben, und wobei die Stege (18) so angeordnet und bemessen sind, dass von der Leiterbahn (11) praktisch kein Strom zu den Segmenten (17) fließen kann und eine Wärmeleitung auf die Segmente (17) weitgehend unterbun­ den wird.

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

3. Direktgeheizter thermionischer Flachemitter nach Patentan­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die den Anschlussfahnen (4) benachbarten Seg­ mente (17) direkt mit den Anschlussfahnen (4) verbunden sind.

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