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Die
Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Glühemitter aus
einem Material, das Elektronen thermisch emittiert.
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Die
aus der
DE 27 27 907
C2 bekannte Kathode umfasst einen rechteckförmigen
Flachemitter, der beispielsweise aus Wolfram (W), Tantal (Ta) oder Rhenium
(Re) besteht und eine Schichtdicke von 0,05 mm bis 0,1 mm besitzt.
Der im Walzverfahren hergestellte Flachemitter weist Einschnitte
auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her
und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Im Betrieb
der Röntgenröhre wird an den Flachemitter der
Kathode Heizspannung angelegt, wobei Heizströme von 5 A
bis 15 A fließen und 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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Durch
Form, Länge und Anordnung der seitlichen Einschnitte lassen
sich im Flachemitter gemäß der
DE 27 27 907 C2 spezielle
Formen der Temperaturverteilung erzielen, da die Erwärmung
eines durch Stromdurchgang aufgeheizten Körpers von der
Verteilung des elektrischen Widerstandes über den Strompfaden
abhängt. Somit wird an Stellen, an denen der elektrisch
wirksame Blechquerschnitt des Flachemitters größer
ist, weniger Hitze erzeugt als an Stellen mit einem kleineren Querschnitt
(Stellen mit einem größeren elektrischen Widerstand).
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Weiterhin
ist in der
DE 199
14 739 C1 eine Kathode offenbart, die einen Flachemitter
aus gewalztem Wolfram-Blech mit einer kreisförmigen Grundfläche
aufweist. Der Flachemitter weist eine kreisförmige Grundfläche
auf und ist in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt,
die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander
beabstandet sind.
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Eine
Erhöhung der Leistungsfähigkeit wird bei den bekannten
Kathoden dadurch erreicht, dass der Flachemitter durch so genannte ”Push”-Ströme seine
Elektronenemissionstemperatur besonders schnell erreicht. Durch
diese hohen Heizströme kommt das Material des Flachemitters
jedoch an seine Belastungsgrenze. Im Flachemitter können
sich aufgrund einer fertigungstechnisch bedingten Walztextur bei
einer langen und hohen thermischen Belastung Anrisse bilden, die
quer zur schwächsten Fertigungsrichtung des Flachemitters
verlaufen. Die Verwendung von gewalztem Wolfram-Blechen stellt damit
eine intrinsische Schwachstelle dar, die die Lebensdauer der Kathode
negativ beeinflussen kann.
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Eine
weitere Kathode ist in der
EP
0 059 238 B1 beschrieben. Die bekannte Kathode ist Teil
einer Röntgenröhre und umfasst eine spiralförmige
Glühwendel, die Elektronen thermisch emittiert.
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Diese
Glühwendel sitzt in einem so genannten Fokussierungskopf
(nachfolgend Fokuskopf genannt), dessen innere Kanten und Abstände
so gestaltet sind, dass die von der Glühwendel emittierten Elektronen
beim Anlegen einer Hochspannung auf die Anode in einem relativ engen
Brennfleck auftreffen.
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Will
man nun die Leistungsfähigkeit bei Röntgenröhren
dahingehend erhöhen, dass man bei gleicher elektrischer – oder
etwas erhöhter – Gesamtleistung die Brennfleckgröße
auf der Anode verkleinert, so ist dies beim derzeitigen Stand der
Technik nicht möglich, denn die Brennfleckgröße
auf der Anode wird von dem Zusammenwirken der Größen
- • Abstand der Kathode zur Anode,
- • Höhe der Hochspannung,
- • Durchmesser der Glühwendel und
- • Temperatur der Glühwendel
wesentlich
bestimmt.
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Bei
den derzeitigen Röntgenröhren ist das Optimum
aus diesen Größen erreicht. Beispielsweise wäre
eine elektrische Leistungserhöhung immer mit einem Nachteil
verbunden: Eine Durchmesservergrößerung der Glühwendel
würde den Brennfleck vergrößern, oder
eine Temperaturerhöhung (zur Steigerung der Elektronenemission)
bei gleichem Wendeldurchmesser würde die Lebensdauer der
Glühwendel wegen Überhitzung unverhältnismäßig
verkürzen.
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Bei
der in der
EP 0 059
238 B1 beschrieben Röntgenröhre ist eine
Abschirmung vorgesehen, die auf einem Potential zwischen halbem
und vollem Anodenpotential liegt, wodurch ein größerer
Anteil von Rückstreuelektronen aus dem Brennfleck auf der
Anode abgezogen wird. Dadurch kann die Belastung der Anode erhöht
werden. Mit einer höher belastbaren Anode kann die Intensität
der in der Anode erzeugten Röntgenstrahlung erhöht
werden. Die in der
EP
0 059 238 B1 vorgeschlagene Maßnahme ist konstruktiv
relativ aufwändig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer verbesserten
Fokussierung und einer hohen Lebensdauer 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 Glühemitter aus einem
Material, das Elektronen thermisch emittiert, wobei auf dem Glühemitter
zumindest teilweise eine Emissionsschicht aus einem Material aufgebracht
ist, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit (Φ)
aufweist als das Material des Glühemitters. Bei der erfindungsgemäßen
Kathode ist der Glühemitter entweder als Glühwendel
oder als Flachemitter ausgeführt.
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Bei
der Kathode gemäß Anspruch 1 dient der Glühemitter,
der z. B. aus Wolfram (W), Tantal (Ta) oder Rhenium (Re) besteht,
im Wesentlichen als Träger für die aufgebrachte
Emissionsschicht, deren Material eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit
aufweist als das Material des Glühemitters. Bei Verwendung
der üblichen Materialien (z. B. W, Ta, Re) für den
Glühemitter (Träger für die eine bessere
Elektronenemission aufweisende Emissionsschicht) sind beim Einbau
des Glühemitters in die erfindungsgemäße
Kathode keine Änderungen gegenüber den bisherigen
Montageschritten erforderlich, da nach wie vor eine gute Schweißbarkeit
der Stromzuführungsbeinchen des Glühemitters gegeben
ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme, auf den
Glühemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aufzubringen,
die eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit aufweist als der Glühemitter,
ist ohne eine Temperaturerhöhung, die die Lebensdauer des
Glühemitters beeinflusst, eine deutlich höhere Elektronenemission
realisierbar. Damit sind Röntgenröhren mit der
erfindungsgemäßen Kathode auch für außermedizinische
Einsatzbereiche einsetzbar. In der Regel kann die Betriebstemperatur
des Glühemitters sogar abgesenkt werden und man erhält
dann immer noch eine Elektronenemission wie bei einem Glühemitter
aus Wolfram, Tantal oder Rhenium. Damit wird eine signifikante Leistungssteigerung,
bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen oder sogar
längeren Lebensdauer erzielt.
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Da
bei der Kathode nach Anspruch 1 der Glühemitter als Träger
für die Emissionsschicht dient, muss der Glühemitter
nicht notwendigerweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium bestehen,
sondern kann auch aus einem Material bestehen, das eine höhere
Elektronenaustrittsarbeit und damit eine geringe Elektronenemission
aufweist. Besteht der Glühemitter jedoch aus Wolfram, Tantal
oder Rhenium, dann ist auch bei beschädigter oder ermüdeter
Emissionsschicht durch eine Erhöhung des den Glühemitters speisenden
Heizstromes noch eine ausreichend hohe Elektronenemission realisierbar.
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Im
Rahmen der Erfindung kann die Emissionsschicht partiell oder vollständig
auf den Glühemitter aufgebracht werden. Bei einer partiellen
Beschichtung kann der Glühemitter gezielt mit verschiedenen
Emissionsschichten, die z. B. unterschiedliche physikalische Eigenschaften
aufweisen, beschichtet werden. So kann beispielsweise auf einfache
Weise im Glühemitter eine gewünschte Temperaturverteilung
erzielt werden. Im Einzelfall können sich auch fertigungstechnische
Vorteile aus einer vollständigen oder einer partiellen
Beschichtung ergeben.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht im
Azimutbereich des Glühemitters aufgebracht ist. Unter Azimutbereich
ist der Emissionsbereich des Glühemitters zu verstehen,
aus dem die Elektronen auf direktem Weg zur Anode der Röntgenröhre
hin beschleunigt werden.
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Durch
Aufbringung der Emissionsschicht im Azimutbereich des Glühemitters
wird die Brennfleckgeometrie der auf der Anode auftreffenden Elektronen
besonders genau abgegrenzt. Damit ergibt sich eine wesentlich genauer
definierte Intensitätsverteilung im Brennfleck. Daraus
resultiert eine erhöhte Qualität des erzeugten
Röntgenbildes.
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Für
die Emissionsschicht sind eine Vielzahl von Materialien oder eine
Kombination dieser Materialien oder Legierungen hieraus geeignet.
Hierzu zählen beispielsweise Molybdän (Mo), Niob
(Nb), Osmium (Os), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Technetium (Tc),
Thorium (Th) und Lanthan (La).
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Emissionsschicht auch aus Kohlenstoff
(C) bestehen.
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Eine
weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Emissionsschicht aus einer Metallverbindung von Hafnium (Hf)
mit Rhenium (Re) besteht.
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Besonders
vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Emissionsschicht
aus Borid besteht, das eines der folgenden Metalle enthält:
Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Ruthenium (Ru), Tantal
(Ta), Titan (Ti) Zirconium (Zr).
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die
Emissionsschicht aus einem Carbid besteht, das eines der folgenden Metalle
enthält: Gadolinium (Gd), Hafnium (Hf), Lanthan (La), Molybdän
(Mo), Niob (Nb), Osmium (Os), Ruthenium (Ru), Thorium (Th), Titan
(Ti), Uran (U), Vanadium (V), Wolfram (W), Yttrium (Y), Zirconium (Zr).
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Auch
die Verwendung einer Emissionsschicht, die aus einem Nitrid besteht,
das Cer (Ce), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Tantal
(Ta), Thorium (Th), Titan (Ti), Uran (U), Yttrium (Y) oder Zirconium
(Zr) enthält, stellt eine vorteilhafte Ausführungsform
für eine Kathode dar.
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Eine
Kathode mit einer Emissionsschicht aus einem Borcarbid, das Chrom
(Cr), Eisen (Fe), Gadolinium (Gd), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal
(Ta), Thorium (Th), Titan (Ti) oder Uran (U) enthält, ist
ebenfalls eine vorteilhafte Variante im Rahmen der Erfindung.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen
Kathode besteht die Emissionsschicht aus einer Mischverbindung eines
der folgenden Metalle mit zumindest einem substituierbaren Metallpartner:
Cer (Ce), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Gadolinium (Gd), Hafnium (Hf),
Lanthan (La), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Osmium (Os), Ruthenium
(Ru), Tantal (Ta), Thorium (Th), Titan (Ti), Uran (U), Vanadium (V),
Wolfram (W), Yttrium (Y), Zirconium (Zr). Ein Beispiel für
eine Emissionsschicht aus einer Mischverbindung aus einer der vorgenannten
Metalle mit einem substituierbaren Metallpartner ist Eisen-Chrom-Carbonitrid
[CN(Fe1-x + Crx)].
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Kathode besteht die Emissionsschicht aus Titandiborid (TiB2), ein elektrisch leitfähiger Keramik-Werkstoff.
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Titandiborid
weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. So besitzt Titandiborid einen
Schmelzpunkt von 3.220°C und liegt damit in der gleichen
Größenordnung wie Wolfram (3.410°C).
Aufgrund des keramischen Charakters von TiB2 ist
in Verbindung mit dem sehr hohen Schmelzpunkt eine gleich gute Hochtemperaturbeständigkeit
wie bei Wolfram (W) und damit eine vergleichbar gute Vakuumtauglichkeit
gegeben. Der spezifische elektrische Widerstand von Titandiborid
(ρ = 16 μΩ·cm) ist in der Größenordnung
von Wolfram (ρ = 5,6 μΩ·cm).
Darüber hinaus ist die Elektronenaustrittsarbeit (Φ)
um etwa 0,5 eV niedriger als die von Wolfram, die ca. 4,9 eV beträgt.
Damit emittiert ein mit Titandiborid beschichteter Glühemitter
bei gleicher Temperatur deutlich mehr Elektronen als ein Glühemitter,
der ausschließlich aus Wolfram besteht. Weiterhin besitzt
Titandiborid einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nur
um ca. 3·10–6 vom Wert
von Wolfram unterscheidet und damit sehr nahe bei dem Ausdehnungskoeffizienten
von Wolfram liegt.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Ausgestaltungen kann als Material für die
Emissionsschicht alternativ auch Lanthanoxid (La2O3), Yttriumoxid (Y2O3) oder Titancarbid (TiC) verwendet werden.
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Für
bestimmte Anwendungsbereiche kann es zweckmäßig
sein, zwischen dem Glühemitter und der Emissionsschicht
eine Diffusions-Sperrschicht, vorzugsweise aus Iridium (Ir) oder
Tantalcarbid (TaC), anzuordnen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kathode weist die Emissionsschicht eine Schichtdicke von ca. 0,05 μm bis
ca. 20 μm auf. Man erhält dadurch bei einem Flachemitter
auf dem gesamten Elektronen emittierenden Bereich (Durchmesser kleiner
ca. 10 mm) immer (auch nach Überschlägen) eine
funktionell ausreichende Beschichtung.
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Bei
einem für die erfindungsgemäße Kathode
geeigneten Glühemitter wird die Emissionsschicht (z. B.
TiB2, La2O3, Y2O3)
durch Laserablation (PLD Pulsed Laser Deposition) auf die Glühwendel
(z. B. W, Ta, Re) aufgebracht. Eine nach diesem Verfahren aufgebrachte
Emissionsschicht haftet bei Betriebstemperaturen von ca. 2.000°C
zuverlässig auf der Elektronenemissionsschicht.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt
zu sein. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine
Kathode im Bereich ihres Fokuskopfes.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Kathode weist einen Glühemitter
auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Glühwendel 1 ausgeführt
und in einem Fokuskopf 2 angeordnet ist.
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Die
Glühwendel 1 besteht aus einem Material, das Elektronen
thermisch emittiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht die Glühwendel 1 aus Wolfram (W). Auf
die Glühwendel 1 ist eine Emissionsschicht 3 aus
einem Material aufgebracht, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit
(Φ) aufweist als das Material (Wolfram) der Glühwendel 1.
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Beim
Aufheizen der Glühwendel 1 wird auch die Emissionsschicht 3 aufgeheizt,
so dass sowohl von der Emissionsschicht 3 als auch von
der Glühwendel 1 Elektronen zu einer in der Zeichnung
nicht dargestellten Anode hin beschleunigt werden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Emissionsschicht 3 im
Azimutbereich 4 der Glühwendel 1 aufgebracht.
Unter Azimutbereich 4 ist der Emissionsbereich der Glühwendel 1 zu
verstehen, aus dem die Elektronen auf direktem Weg zur Anode hin
beschleunigt werden.
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Durch
Aufbringung der Emissionsschicht 3 im Azimutbereich 4 der
Glühwendel 1 wird die Brennfleckgeometrie der
auf der Anode auftreffenden Elektronen besonders genau abgegrenzt.
Damit ergibt sich eine wesentlich genauer definierte Intensitätsverteilung
im Brennfleck der Anode. Daraus resultiert eine erhöhte
Qualität des erzeugten Röntgenbildes.
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Die
auf die Glühwendel 1 aufgebrachte Emissionsschicht 3 besteht
bei der dargestellten Kathode aus Titandiborid (TiB2),
einem elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff mit einer
um ca. 0,5 eV niedrigeren Elektronenaustrittsarbeit als Wolfram.
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Ein
von der Emissionsschicht 3 emittierter Elektronenstrom
(durchgezogene Linien 5 und 6) ist gegenüber
einem von der Glühwendel 1 emittierten Elektronenstrom
(gestrichelte Linien 7 und 8) deutlich stärker
fokussiert. Im Folgenden wird der von der Emissionsschicht 3 (im
Azimutbereich 4) emittierte Elektronenstrom als Haupt-Elektronenstrom
bezeichnet, wohingegen die benachbarten Elektronenströme,
die gleichzeitig emittiert werden, als Neben-Elektronenströme
bezeichnet sind.
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Durch
das Aufbringen der Emissionsschicht 3 auf die Glühwendel 1 kann
die Betriebstemperatur der Glühwendel 1 derart
abgesenkt werden, dass die Intensität des von der Emissionsschicht 3 emittierten Haupt-Elektronenstromes
(durchgezogene Linien 5 und 6) den gleichen Wert
wie bei einer konventionellen Glühwendel aufweist. Aufgrund
der herabgesetzten Betriebstemperatur emittiert die Glühwendel 1 in ihren
nicht beschichteten Bereichen wesentlich weniger Elektronen, die
Intensitäten der Neben-Elektronenströme (gestrichelte
Linien 7 und 8) sind entsprechend reduziert. Das
relative Verhältnis der Intensitäten der Neben-Elektronenströme
zu der Intensität des Haupt-Elektronenstromes wird dadurch
verkleinert. Weiterhin sind die Absolutwerte der Intensitäten der
Neben-Elektronenströme so gering, dass sie nur zu einem
Bruchteil registriert werden. Damit ergibt sich eine wesentlich
genauer definierte Intensitätsverteilung im Brennfleck
und die Brennfleckgeometrie der auf der Anode auftreffenden Elektronen
ist besonders genau abgegrenzt. Daraus resultiert eine erhöhte
Qualität des erzeugten Röntgenbildes.
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Die
reduzierte Betriebstemperatur führt zu einer deutlich verlängerten
Lebensdauer des Glühemitters, im dargestellten Ausführungsbeispiel
der Glühwendel 1.
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Wird
bei der in der Zeichnung dargestellten Kathode die Betriebstemperatur
gegenüber einer konventionellen Kathode nicht abgesenkt,
dann kann eine wesentlich höhere Dichte an Elektronen durch die
Hochspannung abgesaugt werden, als dies bei einer konventionellen
Kathode (Kathode ohne Emissionsschicht mit niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit)
möglich ist. Damit ist ohne eine Temperaturerhöhung,
die die Lebensdauer des Glühemitters beeinflusst, eine
deutlich höhere Elektronenemission realisierbar. Auch in
diesem Fall ist das relative Verhältnis der Intensitäten
der Neben-Elektronenströme zu der Intensität des
Haupt-Elektronenstromes verkleinert. Damit wird auch bei nicht abgesenkter
Betriebstemperatur eine Verbesserung der Bildqualität erreicht.
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Bei
einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform
der Kathode mit einem Flachemitter (Kathode einer Röntgenröhre
für Mammografiegeräte oder Kathode einer Drehkolben-Röntgenröhre)
ist nur der innere Teil des Flachemitters mit einer Emissionsschicht
aus einem Material beschichtet, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit
aufweist als das Material des Flachemitters. Damit ist die Elektronenemission
aus den Randbereichen des Flachemitters im Vergleich zum Azimutbereich
absolut bzw. relativ verringert, mit den bereits am Beispiel der Glühwendel
beschriebenen positiven Ergebnissen für die Bildqualität.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2727907
C2 [0002, 0003, 0004]
- - DE 19914739 C1 [0005]
- - EP 0059238 B1 [0007, 0011, 0011]