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Die Erfindung betrifft eine Kathode.
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Derartige Kathoden, die Wendelemitter (Glühwendel) oder Flachemitter aufweisen, finden beispielsweise in Röntgenröhren Verwendung. Eine Kathode mit einem Wendelemitter ist beispielsweise aus der
DE 199 55 845 A1 bekannt. Kathoden, die Flachemitter aufweisen, sind z. B. in der
DE 27 27 907 C2 und in der
DE 199 14 739 C1 beschrieben. Eine Kathode gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2006 018 633 A1 bekannt.
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Im Betrieb der Röntgenröhre wird an den Wendelemitter beziehungsweise an den Flachemitter Heizspannung angelegt, wodurch Elektronen emittiert werden, die in Richtung einer Anode beschleunigt werden. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird in der Oberfläche der Anode Röntgenstrahlung erzeugt.
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Die hohe Temperatur des Glühwendels bewirkt eine Abdampfung des Materials (Wolfram) und daraus resultierend eine langsame Verdünnung des Wendeldrahtes, die schließlich zu einem Bruch des Wendeldrahtes führt. Bei Glühlampen ist dieser Effekt allgemein bekannt.
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Eine Verringerung des Verschleißes und eine damit verbundene Erhöhung der Lebensdauer kann nur durch eine Reduzierung der Arbeitstemperatur des Wendelemitters erreicht werden, die jedoch zu einer unerwünschten Verringerung der Elektronenemission führt. Um eine Reduzierung der Elektronenemission aufgrund verringerter Arbeitstemperatur des Wendelemitters zu verhindern, bietet sich als besonders einfache Maßnahme an, die Abstrahlfläche für die Elektronenemission vergleichsweise groß zu machen, ohne wesentlich höhere Heizströme einsetzen zu müssen. Dies ist bei so genannten Flachemittern realisiert. Bei einer geeigneten Auslegung hat ein derartiger Flachemitter, bezogen auf das zu beheizende Volumen und im Vergleich zu einem Wendelemitter eine deutlich größere emissionsnützliche Abstrahlfläche.
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Trotz der höheren Lebensdauer eines Flachemitters werden dennoch nach wie vor Wendelemitter eingesetzt, u. a. da Flachemitter aufgrund ihrer größeren Abstrahlfläche (Emissionsfläche) schwieriger durch elektrische Felder gesperrt werden können. Dieses Sperren durch Anlegen einer negativen Spannung an den Kathodenkopf ist bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Anwendungen mit gepulster Röntgenstrahlung, notwendig. Besonders die zentraleren Bereiche großflächiger Flachemitter sind geometrisch von den das Sperrfeld erzeugenden Elektronenansammlungen am Kathodenkopf weiter entfernt und somit nur durch höhere Elektronenkonzentrationen beziehungsweise höhere Feldstärken sperrbar. Höhere Feldstärken wiederum bedingen zur Vermeidung von Überschlägen größere einzuhaltende Mindestabstände sowie weiteren konstruktiven Aufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer höheren Lebensdauer sowie einer guten Sperrbarkeit zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Kathodenkopf, in dem ein Flachemitter angeordnet ist, der Einschnitte aufweist und der beim Anlegen einer Heizspannung Elektronen emittiert, wobei wenigstens ein elektrisch leitfähiges Sperrblech, das galvanisch vom Flachemitter getrennt ist, an den Flachemitter herangeführt ist. Erfindungsgemäß ragt wenigstens ein Sperrblech in wenigstens einen der Einschnitte hinein.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Sperrblech z. B. auf Kathodenkopfpotential liegen. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein. Vielmehr ist es auch möglich, dass das Sperrblech sowohl vom Flachemitter als auch vom Kathodenkopf galvanisch getrennt ist und auf einem anderen Potenzial liegt als der Kathodenkopf.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass wenigstens ein Sperrblech in wenigstens einen der Einschnitte hineinragt, wird der Nachteil einer schlechteren oder einer nur mit einer höheren Sperrspannung erreichbaren Sperrbarkeit beseitigt. Dadurch kann die Kathode nach Anspruch 1 auch für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine schnelle Sperrbarkeit der Elektronenemission erforderlich ist. Trotz der schnellen Sperrbarkeit weist die erfindungsgemäße Kathode auch eine hohe Lebensdauer auf.
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Höhere Feldstärken zum schnellen Sperren des Flachemitters, die größere einzuhaltende Mindestabstande zur Vermeidung von Überschlägen sowie weitere zusätzliche konstruktive Maßnahmen erfordern, sind damit bei der Kathode gemäß Anspruch 1 nicht notwendig.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann bei Kathoden mit geometrisch unterschiedlichen Flachemittern realisiert werden.
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So kann z. B. bei dem aus der
DE 27 27 907 C2 bekannten rechteckförmigen Flachemitter, der Einschnitte aufweist, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind, wenigstens ein Sperrblech in wenigstens einen der Einschnitte hineinragen (Anspruch 2).
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Auch bei dem in der
DE 199 14 739 C1 beschriebenen, eine kreisförmige Grundfläche aufweisenden Flachemitter, der in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt ist, die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander beabstandet sind, kann wenigstens ein Sperrblech in wenigstens einen der Einschnitte hineinragen (Anspruch 3).
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der wenigstens ein Sperrblech die Form einer Zunge aufweist (Anspruch 4), da in diesem Fall das Sperrblech auf konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Weise an den betreffenden Flachemitter anpassbar ist. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode ist insbesondere besonders vorteilhaft für eine Ausgestaltung, bei der wenigstens ein Sperrblech in wenigstens einen der Einschnitte hineinragt. Im Rahmen der Erfindung kann das Sperrblech jedoch auch auf andere Weise an den Flachemitter herangeführt sein.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Kathode,
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2 eine Draufsicht auf einen Flachemitter gemäß dem Stand der Technik und
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3 eine Draufsicht auf einen Flachemitter, wie er bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathode vorhanden ist.
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Die in 1 dargestellte Kathode umfasst einen Kathodenkopf 1, in dem ein Flachemitter 2 angeordnet ist.
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Der Flachemitter 2 ist über Kontaktstifte 3 und 4, die über Keramik-Durchführungen 5 und 6 im Kathodenkopf 1 isoliert gehaltert sind, an eine Betriebsspannung UK von –80 kV gelegt.
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Weiterhin ist der Kathodenkopf 1 über ein Schaltelement 7 wahlweise an die Betriebsspannung UK von –80 kV oder an eine Spannung US von –84 kV schaltbar. Befindet sich das Schaltelement 7 in der Schaltposition a, dann liegt die Betriebsspannung UK von –80 kV am Kathodenkopf 1 an. In der Schaltposition b des Schaltelementes 7 liegt die Spannung US von –84 kV am Kathodenkopf 1 an, mithin 4 kV mehr als am Flachemitter 2. Es liegt also eine Sperrspannung von 4 kV an.
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Der Kontaktstift 4 ist weiterhin über ein Schaltelement 8 an eine Heizspannung UH von 40 V schaltbar.
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Liegen der Kathodenkopf 1 und der Flachemitter 2 auf Betriebsspannung UK von –80 kV (Schaltposition a) und wird an den Flachemitter 2 Heizspannung UH von 40 V angelegt (Schaltelement 8 geschlossen), dann werden von dem Flachemitter 2 Elektronen (in 1 mit e– bezeichnet) emittiert und in Richtung einer Anode 9 beschleunigt, die an einem Anodenpotenzial UA von +80 kV liegt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode 9 werden in dieser auf bekannte Weise Röntgenstrahlen erzeugt.
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Zum Sperren der Elektronenemission wird das Schaltelement 7 in seine Schaltposition b geschaltet, so dass der Kathodenkopf 1 auf einer Spannung US von –84 kV liegt, d. h. 4 kV negativer als der Flachemitter 2. Diese Spannung von 4 kV wird als Sperrspannung bezeichnet. Negativ geladene Elektronen können nicht aus dem Kathodenkopf 1 austreten (gleiche Wirkung wie ein Sperrgitter).
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Wird bei der Kathode gemäß 1 ein Flachemitter 2 nach dem Stand der Technik (2) verwendet, dann ist bei einer derartigen Kathode der Elektronenfluss (in 2 wiederum mit e– bezeichnet) nur mit relativ hohen Feldstärken sperrbar, da die zentraleren Bereiche der Emissionsfläche des Flachemitters 2 relativ weit vom Kathodenkopf 1 entfernt sind.
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Der Flachemitter gemäß 2 weist Einschnitte 11 auf, die wechselweise von zwei gegenüberliegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung, wenigstens ein elektrisch leitfähiges Sperrblech 10, das galvanisch vom Flachemitter 2 getrennt ist, so an den Flachemitter 2 heranzuführen, dass an keiner Stelle des Flachemitters 2 eine zu große Entfernung vom Sperrpotential auftritt, wird der Nachteil einer schlechteren oder einer nur mit einer höheren Sperrspannung erreichbaren Sperrbarkeit des Elektronenflusses (in 3 ebenfalls mit e– bezeichnet) beseitigt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Sperrbleche 10, die mit dem Kathodenkopf 1 elektrisch leitend verbunden sind und damit auf Kathodenkopfpotenzial liegen, jeweils die Form einer Zunge auf und ragen in die Einschnitte 11 hinein, die wechselweise von zwei gegenüberliegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung des Flachemitters 2 angeordnet sind.
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Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung des Flachemitters 2 reichen die Sperrbleche 10 damit besonders nah an die zentraleren Bereiche der Emissionsfläche des Flachemitters 2 heran. Höhere Feldstärken zum schnellen Sperren des Flachemitters 2, die größere einzuhaltende Mindestabstande zur Vermeidung von Überschlägen sowie weitere zusätzliche konstruktive Maßnahmen erfordern, sind damit bei einer Kathode mit einem Flachemitter gemäß 3 nicht notwendig.
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Eine Kathode mit einem gemäß 3 ausgestalteten Flachemitter 2 ist somit besonders gut für Anwendungen geeignet, bei denen eine mit einem Wendelemitter vergleichbar schnelle Sperrbarkeit der Elektronenemission gewünscht bzw. erforderlich ist (z. B. bei Anwendungen mit gepulster Röntgenstrahlung) und gleichzeitig eine höhere Lebensdauer des Flachemitters 2 und damit der Kathode erreicht wird.
