DE102008020165A1

DE102008020165A1 - Kathode mit einem Flachemitter

Info

Publication number: DE102008020165A1
Application number: DE102008020165A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kutschera; Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Flachemitter aus einem Material, das Elektronen thermisch emittiert, wobei auf dem Flachemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aus einem Material aufgebracht ist, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit (Phi) aufweist als das Material des Flachemitters. Eine derartige Kathode besitzt eine hohe Elektronenemission und eine hohe Lebensdauer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Flachemitter.
Eine Kathode mit einem Flachemitter ist jeweils für sich z. B. in der DE 27 27 907 C2 und in der DE 199 14 739 C1 beschrieben.
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.
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).
Die in der DE 199 14 739 C1 offenbarte Kathode umfasst einen Flachemitter, der aus gewalztem Wolfram-Blech besteht und eine kreisförmige Grundfläche aufweist. Der Flachemitter ist in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt, die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander beabstandet sind.
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.
Die Verwendung von WRe26 (Wolfram-Legierung mit 26% Rhenium) als Material für den Flachemitter ist aufgrund der geringen Kriechbeständigkeit von WRe26 nicht geeignet. Unter Kriechen versteht man die plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter mechanischer Beanspruchung und erhöhter Temperatur. Eine geringe Kriechbeständigkeit ist aufgrund einer daraus resultierenden starken plastischen Verformung des Werkstoffs gleichbedeutend mit einer geringen Lebensdauer des Flachemitters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer hohen Lebensdauer zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Flachemitter aus einem Material, das Elektronen thermisch emittiert, wobei auf dem Flachemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aus einem Material aufgebracht ist, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit (Φ) aufweist als das Material des Flachemitters.
Bei der erfindungsgemäßen Kathode dient der Flachemitter, der z. B. aus Wolfram, Tantal oder Rhenium besteht, im Wesentlichen als Träger für die aufgebrachte Emissionsschicht, deren Material eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit aufweist als das Material des Flachemitters. Bei Verwendung der üblichen Materialien (z. B. W, Ta, Re) für den Flachemitter (Träger für die eine bessere Elektronenemission aufweisende Emissionsschicht) sind beim Einbau des Flachemitters in die erfindungsgemäße Kathode keine Änderungen gegenüber den bisherigen Montageschritten erforderlich, da nach wie vor eine gute Schweißbarkeit der Stromzuführungsbeinchen des Flachemitters gegeben ist.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, auf dem Flachemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aufzubringen, die eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit aufweist als der Flachemitter, ist ohne eine Temperaturerhöhung, die die Lebensdauer des Flachemitters beeinflusst, eine deutlich höhere Elektronenemission realisierbar. Damit wird eine signifikante Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Lebensdauer erzielt.
Da bei der Kathode nach Anspruch 1 der Flachemitter als Träger für die Emissionsschicht dient, muss der Flachemitter 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 Flachemitter jedoch aus Wolfram, Tantal oder Rhenium, dann ist auch bei beschädigter Emissionsschicht durch eine Erhöhung des den Flachemitter speisenden Heizstromes noch eine ausreichend hohe Elektronenemission realisierbar.
Im Rahmen der Erfindung kann der Flachemitter partiell oder vollständig mit der Emissionsschicht beschichtet sein. Bei einer partiellen Beschichtung kann der Flachemitter gezielt, mit verschiedenen Emissionsschichten, die z. B. unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen, beschichtet werden. So kann beispielsweise auf einfache Weise im Flachemitter eine gewünschte Elektronenemissionsverteilung erzielt werden. Im Einzelfall können sich auch fertigungstechnische Vorteile aus einer vollständigen oder einer partiellen Beschichtung ergeben.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathode besteht die Emissionsschicht aus Titandiborid (TiB₂), ein elektrisch leitfähiger Keramik-Werkstoff.
Titandiborid weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. So weist Titandiborid einen Schmelzpunkt von 3.220°C auf 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 nur geringfügig höher als der 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 Flachemitter aus Titandiborid bei gleicher Temperatur deutlich mehr Elektronen als Wolfram. Schließlich ist TiB₂ in einfacher Weise lötbar.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Emissionsschicht alternativ auch aus Lanthanoxid (La₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), Tantal (Ta) oder Lanthan (La) bestehen.
Für bestimmte Anwendungsbereiche kann es zweckmäßig sein, zwischen dem Flachemitter und der Emissionsschicht eine Diffusions-Sperrschicht, vorzugsweise aus Iridium (Ir) oder Tantalcarbid (TaC), anzuordnen.
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 auf dem gesamten Elektronen emittierenden Bereich (Durchmesser kleiner ca. 7 mm) immer (auch nach Überschlägen) eine funktionell ausreichende Beschichtung.
Bei einem für die erfindungsgemäße Kathode geeigneten Flachemitter wird die Emissionsschicht, die z. B. aus TiB₂, La₂O₃ oder Y₂O₃ besteht, durch Laserablation (PLD Pulsed Laser Deposition) auf den Flachemitter (z. B. W, Ta, Re) aufgebracht. Ein nach diesem Verfahren aufgebrachte Emissionsschicht haftet bei Betriebstemperaturen von ca. 2.000°C zuverlässig auf dem Flachemitter.
Nach dem Aufbringen der Emissionsschicht auf den Flachemitter werden die Einschnitte im Flachemitter, die z. B. wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind oder die eine Mäanderstruktur aufweisen, mittels Laserschneiden erzeugt.
Die elektrische Verbindung zu den Stromzuführungsleitungen aus TZM (Titan-Zirkon-Molybdän – mischkristallgehärtete und teilchenverstärkte Molybdän-Basislegierung) erfolgt wie bisher über die Stromzuführungsbeinchen des Flachemitters.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2727907 C2 [0002, 0003, 0004]
- DE 19914739 C1 [0002, 0005]

Claims

Kathode mit einem Flachemitter aus einem Material, das Elektronen thermisch emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Flachemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aus einem Material aufgebracht ist, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit (Φ) aufweist als das Material des Flachemitters.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachemitter partiell mit der Emissionsschicht beschichtet ist.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachemitter vollständig mit der Emissionsschicht beschichtet ist.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Titandiborid (TiB₂) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Lanthanoxid (La₂O₃) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Yttriumoxid (Y₂O₃) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Titancarbid (TiC) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Tantal (Ta) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht aus Lanthan (La) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flachemitter und der Emissionsschicht eine Diffusions-Sperrschicht angeordnet ist.
Kathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusions-Sperrschicht aus Iridium (Ir) besteht.
Kathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusions-Sperrschicht aus Tantalcarbid (TaC) besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht eine Schichtdicke von ca. 0,05 μm bis ca. 20 μm aufweist.