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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer
Feldemissionskathode.
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In
Röntgenröhren kommen traditionell thermische Emitter,
vorzugsweise auf Wolfram-Basis, zur Erzeugung des benötigten
Elektronenstrahls zum Einsatz.
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Als
Alternative zu Röntgenröhren mit thermischen Emittern
sind Röntgenröhren mit Feldemissionskathoden bekannt,
die im Folgenden auch als Feldemitter-Röntgenröhren
bezeichnet werde. Die Emitter-Schichten bestehen hierbei aus Materialien mit
hohen Emissionsstromdichten, wie beispielsweise Carbon-Nanotubes
(CNT). Die mit derartigen Feldemissionskathoden bzw. Feldemittern
erzielbaren Stromdichten liegen mit typischen Werten von kleiner
1 A/cm2 jedoch deutlich unter den Stromdichten
thermischer Emitter, mit denen Stromdichten bis zu 10 A/cm2 realisierbar sind. Die Möglichkeit,
die Feldemitter schnell zu schalten und mit geringen Heizleistungen
zu betreiben (so genannte "kalte Emitter"), machen diese Technologie
für Röntgenröhren jedoch sehr attraktiv.
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Um
die für die Emission hohen Feldstärken von größer
1 V/μm zu erzielen, wird entweder eine hohe Spannung benötigt
oder der Abstand zur Anode muss sehr kurz sein. Eine weitere Möglichkeit
ist der Einsatz einer Gate-Elektrode zwischen dem Emitter und der
Anode, welche auf einem gegenüber der Emissionsfläche
positiven Potential liegt. Bei Abständen zwischen ca. 100 μm
bis 1 mm lassen sich diese Feldstärken mit leicht handhabbaren
Mittelspannungen im Bereich von einigen kV erzeugen.
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Die
für einen bestimmten Elektronenstrom benötige
Emissionsfläche liegt aufgrund der niedrigeren Emissionsstromdichte
der Feldemitter höher als bei den thermischen Emittern.
Um auf der Anode einen kleinen Röntgenbrennfleck zu erzeugen,
welcher für gute Bildgebungseigenschaften benötigt
wird, muss daher eine geeignete Fokussierung vorgenommen werden.
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In
existierenden Feldemitter-Röntgenröhren kommen
als Gate-Elektroden Gitter aus dünnen Wolfram-Drähten
mit einem Drahtdurchmesser von einigen 10 μm und einem
Gitterabstand von typischerweise 100 bis 200 μm zum Einsatz.
Eine derartige Röntgenröhre ist z. B. aus der
Produktinformation "Carbon Nanotube Based Field Emission
X-Ray Tubes" bekannt, die über http://www.xintek.com/products/xray/index.htm abrufbar
ist.
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Bei
derartigen Feldemitter-Röntgenröhren hat sich
in Simulationen und Experimenten gezeigt, dass die Gitterstruktur
der Gate-Elektroden zu einer Aufstreuung des Elektronenstrahls führt.
Weiterhin ergibt sich durch die Gewebe-Struktur eine Variation des
Emitter-Gitter-Abstandes, wodurch lokale Unterschiede im emittierten
Elektronenstrom auftreten (so genannte "Island-Formation").
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Bei
den vorgenannten Feldemitter-Röntgenröhren bleibt
ein Teil der emittierten Elektronen im Gitter hängen. Diese
Elektronen tragen somit nicht zur Erzeugung der Röntgenstrahlung
bei, sondern erhitzen lediglich das Gitter, wodurch dieses durch thermische
Expansion verformt werden kann. Die Transmission ist damit abhängig
von den geometrischen Parametern des Gitters und stellt hohe Anforderungen
an die mechanische Präzision der Bauteile.
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Durch
die
US 2005/0067937
A1 ist ein CNT-Feldemitter für ein CNT-FED (Field
Emission Display) bekannt. Ein derartiges Display wird auch als
Flat Panel Display bezeichnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre
mit einer verbesserten Feldemissionskathode zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre
nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfin dungsgemäßen Röntgenröhre
sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Röntgenröhre
umfasst eine Feldemissionskathode
- – mit
einer elektrisch leitenden Schicht,
- – mit einer dielektrischen Schicht, die unter Bildung
wenigstens einer Aussparung auf der elektrisch leitenden Schicht
aufgebracht ist,
- – mit einer Gate-Elektrodenschicht, die auf der dielektrischen
Schicht angeordnet ist, und
- – mit einer Emitter-Schicht, die im Bereich der Aussparungen
auf der elektrisch leitenden Schicht aufgebracht ist.
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Bei
der Röntgenröhre nach Anspruch 1 weist die Feldemissionskathode
eine Gate-Anordnung auf, wobei die Emitter-Schicht aus einem Material
mit einer hohen Emissionsstromdichte gefertigt ist, vorzugsweise
aus einem Nanomaterial auf Basis von Kohlenstoff, insbesondere aus
Carbon-Nano-Tubes (CNT).
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Erfindungsgemäß besitzt
die Feldemissionskathode eine Emitter-Gitter-Struktur, die in einer
so genannten Mikrofabrikationstechnologie erzeugt wird. Hierzu wird
auf eine leitende Schicht (Emissionsfläche) eine dielektrische
schicht (Isolationsschicht, z. B. Silizium) mit dem gewünschten
Emitter-Gate-Abstand und eine weitere leitende Schicht (Gate-Elektrodenschicht)
aufgebracht. Dieser Aufbau wird durch eingebrachte Aussparungen
so strukturiert, dass wenigstens eine Öffnung zwischen
der Emissionsschicht und der Gate-Elektrodenschicht entsteht. Anschließend
wird im Bereich dieser Aussparungen (bezogen auf die dielektrische
Schicht) bzw. Vertiefungen (bezogen auf die Feldemissionskathode)
ein Substrat aus einem Material mit einer hohen Emissionsstromdichte
aufgebracht (Emitterschicht).
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Bei
der Röntgenröhre nach Anspruch 1 werden aufgrund
des stabilen und reproduzierbaren Betriebs der Feldemissionskathode
die bekannten Nachteile umgangen.
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So
kann z. B. bei der erfindungsgemäßen Lösung
die Struktur des Feldemitters völlig frei gewählt
werden, z. B. um störende Aufstreuungseffekte zu verhindern.
Da darüber hinaus auch keine Elektronen emittiert werden,
die unmittelbar am Gitter hängen bleiben, erhitzt sich
das Gitter nicht und es tritt keine mechanische Verformung auf,
welche zu lokalen Unterschieden in der Elektronenemission führen kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung werden die
bekannten Nachteile eliminiert, so dass der Feldverlauf im Emissionsbereich
im Wesentlichen durch konstruktive Maßnahmen gezielt beeinflusst
werden kann. Besonders gilt dies für eine Ausgestaltung nach
Anspruch 2, bei der die dielektrische Schicht, die wenigstens eine
Aussparung, die Gate-Elektrodenschicht und die Emitter-Schicht,
die jeweils durch ihre geometrischen Abmessungen definiert sind,
die Emitter-Gate-Struktur der Feldemissionskathode bilden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 3 besteht die
Emitter-Schicht der Feldemissionskathode aus einem Nanomaterial
auf Basis von Kohlenstoff (Carbon based Nano Material). Besonders
bevorzugt ist hierbei eine Variante gemäß Anspruch
4, bei der die Emitter-Schicht der Feldemissionskathode aus Carbon-Nano-Tubes
(CNT) besteht.
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Abhängig
von den Anforderungen, die an die Röntgenröhre
gestellt werden, kann die dielektrische Schicht der Feldemissionskathode
beispielsweise eine konstante Dicke aufweisen (Anspruch 5).
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Auch
eine konstante Dicke der Gate-Elektrodenschicht der Feldemissionskathode
(Anspruch 6) ist im Rahmen der Erfindung realisierbar.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung kann die dielektrische Schicht der Feldemissionskathode
auch eine variable Dicke aufweisen (Anspruch 7).
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre weist die Gate-Elektrodenschicht
der Feldemissionskathode lokal verschiedene Breiten auf (Anspruch
8).
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre sind dadurch gekennzeichnet, dass
die dielektrische Schicht eine geringere Breite als die zugehörige
Gate-Elektrodenschicht aufweist (Anspruch 9), oder dass die Breite der
dielektrischen Schicht zu der Gate-Elektrodenschicht hin zunimmt
(Anspruch 10).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre sind unterhalb der elektrisch leitenden
Schicht der Feldemissionskathode zusätzliche Elektroden
angeordnet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist ohne Einschränkung
sowohl bei Stehanoden-Röhren als auch bei Drehanodenröhren
und bei Drehkolbenröhren anwendbar.
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Nachfolgend
sind sechs schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert,
ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Röntgenröhre gemäß der
Erfindung im Längsschnitt,
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2 eine
erste Ausführungsform einer Feldemissionskathode der erfindungsgemäßen Röntgenröhre,
die den prinzipiellen Schichtaufbau Feldemissionskathode im Schnitt
zeigt,
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3 eine
zweite Ausführungsform einer Feldemissionskathode in einer
Schnittdarstellung,
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4 eine
dritte Ausführungsform einer Feldemissionskathode in einer
Schnittdarstellung,
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5 eine
vierte Ausführungsform einer Feldemissionskathode in einer
Schnittdarstellung,
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6 eine
fünfte Ausführungsform einer Feldemissionskathode
in einer Schnittdarstellung,
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7 eine
sechste Ausführungsform einer Feldemissionskathode in einer
Schnittdarstellung,
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Eine
in 1 dargestellte Röntgenröhre 1 umfasst
ein Vakuumgehäuse 2, in dem auf bekannte Weise
eine Kathode 3 sowie eine Anode 4 angeordnet sind.
Die Kathode 3 ist erfindungsgemäß als Feldemissionskathode
ausgeführt, deren beispielhafte Ausgestaltungen in den 2 bis 7 dargestellt
sind.
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Die
Feldemissionskathode 3, die im Betrieb über eine
Spannungsdurchführung 5 mit Mittelspannung versorgt
wird, emittiert Elektronen 6, die zur Anode 4 hin
beschleunigt werden. Beim auftreffen der Elektronen 6 bilden
diese auf der Anode 4 einen so genannten Brennfleck 7.
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Beim
Auftreffen der Elektronen 6 wird im Brennfleck 7 Röntgenstrahlung 8 erzeugt,
die zunächst durch ein für die Röntgenstrahlung 8 transparentes
Fenster 9 aus dem Vakuumgehäuse 2 und
anschließend aus einem in 1 nicht
dargestellten Strahlergehäuse austritt. Das Strahlergehäuse
weist hierzu ebenfalls ein röntgentransparentes Fenster auf.
Nach ihrem Austritt aus der Röntgenröhre 1 steht die
Röntgenstrahlung 8 als so genannte Röntgennutzstrahlung
zur Bildgebung zur Verfügung.
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Die
in den 2 bis 7 dargestellten Feldemissionskathoden 4 umfassen
jeweils eine elektrisch leitende Schicht 11 und eine dielektrische Schicht 12,
die unter Bildung wenigstens einer Aussparung 13 auf der
elektrisch leitenden Schicht 11 aufgebracht ist. Die Feldemissionskathoden 4 umfassen
weiterhin jeweils eine Gate-Elektrodenschicht 14, die auf
der dielektrischen Schicht 12 angeordnet ist, und eine
Emitter-Schicht 15, die im Bereich der Aussparungen 13 auf
der elektrisch leitenden Schicht 11 aufgebracht ist.
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Die
notwendigen elektrischen Kontaktierungen erfolgen bei allen dargestellten
Feldemissionskathoden 4 jeweils am Rand.
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Bei
dem in den 2 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen
der Feldemissionskathoden 4 verlaufen benachbarten Gate-Elektrodenschichten 14 jeweils
parallel zueinander. Im Rahmen der Erfindung ist dies jedoch nicht
zwingend erforderlich, vielmehr sind auch andere Anordnungen der
Gate-Elektrodenschichten möglich.
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Bei
der in 2 dargestellten Feldemissionskathode 4 sind
die Abstände der benachbarten Gate-Elektrodenschichten 14 zueinander
und zu den Emitter-Schichten 15 jeweils gleich groß.
Auch die Breite und die Dicke der Gate-Elektrodenschichten 14 sind
gleich groß.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Ausgestaltungen Rahmen der Erfindung können
beispielsweise die Abstände zwischen den benachbarten Gate-Elektrodenschichten 4,
die Breite und die Dicke der Gate-Elektrodenschichten 4 sowie
die Höhe der dielektrischen Schichten 12 variabel
sein.
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So
sind z. B. bei der Ausführungsform gemäß 3 die
Abstände der Gate-Elektrodenschichten 4 zu den
Emitter-Schichten 15 lokal verschieden. Dies wird durch
verschieden hohe dielektrische Schichten 12 erreicht.
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Ein
Beispiel für lokal verschieden breite Gate-Elektrodenschichten 4 ist
in 4 dargestellt. An eine Gate-Elektrodenschicht 4 mit
geringerer Breite grenzt zu beiden Längsseiten jeweils
eine Gate-Elektrodenschicht 4 mit einer größeren
Breite.
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Die
dielektrische Schichten 12 müssen nicht notwendigerweise
die gleiche Breite wie die Gate-Elektrodenschichten 14 aufweisen.
Ein Beispiel für eine geringere Breite der dielektrischen
Schichten 12 gegenüber der Breite der zugehörigen
Gate-Elektrodenschichten 14 ist in 5 gezeigt.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch nicht erforderlich, dass die Breite
der dielektrischen Schichten 12 konstant ist. Eine variable
Breite der dielektrischen Schichten 12 ist in 6 dargestellt.
Die Breite der dielektrischen Schichten 12 nimmt zu den Gate-Elektrodenschichten 14 hin
zu.
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Weiterhin
können, wie in 7 beispielhaft dargestellt,
zusätzliche Elektroden 16 (z. B. unterhalb der
der elektrisch leitenden Schicht 11) eingebracht werden,
die eine Steuerung des elektrischen Feldverlaufs im Bereich oberhalb
der Emitterschicht 15 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0067937
A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Carbon Nanotube
Based Field Emission X-Ray Tubes" [0006]
- - http://www.xintek.com/products/xray/index.htm [0006]