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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem
Vakuumgehäuse, in dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung
aufgenommen sind.
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Bei
einer bekannten Röntgenröhre umfasst die Kathodenanordnung
einen thermischen Emitter, vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder
Rhenium. Der thermische Emitter wird auf ca. 2.000°C aufgeheizt,
wodurch Elektronen thermisch emittiert und durch ein elektrisches
Potential von ca. 120 kV auf eine Anode beschleunigt werden. Beim
Aufprall der thermisch erzeugten Elektronen auf der Anode entsteht
eine zur Bildgebung nutzbare Röntgenstrahlung. Ein derartiger
thermischer Emitter ist beispielsweise in der
DE 27 27 907 C2 beschrieben.
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Alternativ
zu einer Erzeugung von freien Elektronen mittels thermischer Emission
können freie Elektronen mittels Feldemission erzeugt werden. Durch
Anlegen einer Spannung werden Elektronen aus einem Material mit
einer hohen Emissionsstromdichte, wie beispielsweise Carbon-Nano-Tubes (CNT),
extrahiert, wobei eine Erhitzung dieses Materials nicht notwendig
ist. Die Carbon-Nano-Tubes weisen einen Durchmesser von ca. 10 nm
bei einer Länge von einigen μm auf. An der scharfen
Spitze kommt es zu Feldüberhöhungen des elektrischen Feldes,
die die Elektronenemission allein durch den Feldeffekt ermöglicht.
Die mit einem derartigen Feldemitter erzielbaren Stromdichten liegen
mit typischen Werten von kleiner 5 A/cm2 jedoch
deutlich unter den Stromdichten eines thermischen Emitters, mit
dem Stromdichten bis zu 10 A/cm2 realisierbar
sind.
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Um
die für die Elektronenemission 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
eines Extraktionsgitters (Gate-Elektrode) zwischen dem Feldemitter
und der Anode, das auf einem gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht
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. Das Extraktionsgitter
besteht aus dünnen Wolfram-Drähten mit einem Drahtdurchmesser
von einigen 10 μm und weist einen Gitterabstand von typischerweise
100 bis 200 μm auf.
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Eine
Röntgenröhre mit einer Kathodenanordnung, die
einen Feldemitter und ein Extraktionsgitter umfasst, ist beispielsweise
aus der Produktinformation ”Carbon Nano Tube Based Field
Emission X-Ray Tubes” bekannt. Diese Produktinformation
ist über http://www.xintek.com/products/xray/index.htm abrufbar.
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In
der
DE 10 2005
049 601 A1 sowie in der korrespondierenden
US 2007/0086571 A1 sind
jeweils eine Drehanode-Röntgenröhre und eine Drehkolben-Röntgenröhre
beschrieben, die jeweils eine Kathodenanordnung mit einem so genannten
kalten Emitter als Elektronenquelle aufweisen.
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Aus
der
US 6,553,096 B1 sind
Kathodenanordnungen mit einem Feldemitter bekannt, der Elektronen-Emissionsschichten
aus Carbon-Nano-Tubes (CNT) aufweist. Zwischen dem Feldemitter und
der Anode ist ein Extraktionsgitter angeordnet, das gegenüber
der Elektronen-Emissionsschicht auf positivem Potenzial liegt.
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Sowohl
bei thermisch erzeugten Elektronen (Widerstandsheizung, Laserbestrahlung
des Emitters) als auch bei durch Feldemission erzeugten Elektronen
treten beim Auftreffen der Elektronen auf der Anode positiv geladene
Ionen (Kationen) aus dem Material der Anode aus. Gründe
für den Austritt von Kationen aus der Anode sind die hohe
Temperatur im Brennfleck (ca. 2.600°C) und die hohe kinetische
Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen (ca. 120 keV).
Die aus der Anode austretenden Kationen werden zu der auf negativem
Poten zial liegenden Kathode hin beschleunigt und treffen auf diese
auf. Beim Auftreffen der Kationen auf die Kathode kann es zu Verunreinigungen
und zu unmittelbaren mechanischen Beschädigungen kommen.
Die Verunreinigungen können darüber hinaus bei
Feldemittern, die beispielsweise aus Carbon-Nano-Tubes gefertigt
sind, aufgrund ihrer geometrischen Form und ihrer filigranen Struktur
(ca. 10 nm Durchmesser bei einigen μm Länge) zu
weiteren Beschädigungen führen. Bereits geringe
Beschädigungen der Kathode führen zu einer Verschlechterung
der Emissionseigenschaften und damit zu einer Verschlechterung der
Röntgenstrahlungsintensität. Eine stärkere
Beschädigung führt zwangsläufig zu einem
Ausfall der Röntgenröhre.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Röntgenröhre
mit einer gleich bleibend konstanten Röntgenstrahlungsintensität
und einer höheren Ausfallsicherheit zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre
sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die
Röntgenröhre gemäß Anspruch
1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathodenanordnung
und eine Anodenanordnung aufgenommen sind, wobei zwischen der Kathodenanordnung
und der Anodenanordnung eine Schutzwand mit einer Durchtrittsöffnung
angeordnet ist.
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Die
Kathodenanordnung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre
umfasst wenigstens eine Kathode, die freie Elektronen mittels thermischer
Emission oder mittels Feldemission erzeugt. Die freien Elektronen
werden mittels eines elektrischen Feldes in Richtung der Anodenanordnung
beschleunigt. Die Anodenanordnung umfasst wenigstens eine Anode, auf
der die im elektrischen Feld beschleunigten Elektronen auftreffen
und hierbei in der Anode auf bekannte Weise Röntgenstrahlung
erzeugen.
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Bei
der Röntgenröhre gemäß Anspruch
1 ist erfindungsgemäß zwischen der Kathodenanordnung und
der Anodenanordnung eine Schutzwand angeordnet, die im Bereich der
Flugbahn der zur Anode hin beschleunigten Elektronen eine Durchtrittsöffnung
aufweist.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene Schutzwand verhindert
zum weitaus größten Teil ein Auftreffen der beim
Beschuss mit Elektronen aus der Anode austretenden Kationen (positiv
geladene Ionen) auf die Kathode. Auch die von der Anode zurück
gestreuten Elektronen werden durch die Schutzwand an einem Rückflug
zur Kathode gehindert. Lediglich Kationen, die durch die Durchtrittsöffnung
gelangen, können die Kathode treffen und dadurch verunreinigen und/oder
beschädigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Kationen
oder einzelne zurück gestreute Elektronen die Kathode durch
die Durchtrittsöffnung hindurch erreichen, ist jedoch äußerst
gering, so dass die Kathodenanordnung zuverlässig vor Bombardements
bewahrt werden kann.
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Die
Schutzwand der Röntgenröhre gemäß Anspruch
1 schützt die Kathodenanordnung darüber hinaus
vor thermischer Strahlung, die von der heißen Anode abgestrahlt
wird und die für Feldemitter (so genannte kalte Emitter)
ebenfalls eine Gefährdung darstellen.
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Die
von der Anode zurück gestreuten Elektronen (Rückstreuelektronen)
können sowohl bei thermischen Emittern als auch bei Feldemittern
zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen,
da die Rückstreuelektronen erneut auf die Anode gelangen können.
Die Rückstreuelektronen sind unfokussiert und weisen keine
definierte kinetische Energie auf. Die Rückstreuelektronen
mit niedriger kinetischer Energie führen der Anode lediglich
thermische Energie zu, wohingegen die Elektronen mit ausreichend hoher
kinetischer Energie eine unerwünschte Extrafokalstrahlung
erzeugen können.
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Die
Röntgenröhre nach Anspruch 1 weist aufgrund ihrer
erfindungsgemäß vorgesehenen Schutzwand eine gleich
bleibend konstante Röntgenstrahlungsintensität
sowie eine höhere Ausfallsicherheit auf, da ein Bombardement
der Kathodenanordnung durch Rückstreuelektronen und durch
aus der Anode herausgeschlagene Kationen sowie eine unmittelbare
Einwirkung von thermischer Strahlung auf die Kathodenanordnung zuverlässig
verhindert wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Röntgenröhre liegt
die Kathodenanordnung auf einem negativen Potenzial und die Schutzwand
und die Anodenanordnung liegen auf Massepotential. In vorteilhafter
Weise entsteht dadurch zwischen der Schutzwand und der Anode ein
feldfreier Raum.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Kathodenanordnung auf Massepotential liegt und die Schutzwand und
die Anodenanordnung auf einem gleich hohen positiven Potenzial liegen.
Auch in diesem Fall ist der Raum zwischen der Schutzwand und der
Anode feldfrei.
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Bei
einer ebenfalls bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre liegen die Kathodenanordnung auf
einem negativen Potenzial, die Schutzwand auf einem positiven Potenzial
und die Anodenanordnung auf Massepotential. Durch das positive Potenzial
der Schutzwand absorbiert die Schutzwand in vorteilhafter Weise
die Rückstreuelektronen.
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Nachfolgend
sind drei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Röntgenröhre
anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch
darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre in einer Prinzipdarstellung,
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2 eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre in einer Prinzipdarstellung,
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3 eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre in einem Längsschnitt.
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Die
in 1 dargestellte Röntgenröhre
umfasst ein Vakuumgehäuse 1, in dem eine Kathodenanordnung
und eine Anodenanordnung angeordnet sind. Die Kathodenanordnung
umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel eine einzige Kathode 2 und
die Anodenanordnung eine einzige Anode 3. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit sind nur die Kathode 2 und die
Anode 3 dargestellt.
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Zwischen
der Kathode 2 der Kathodenanordnung und der Anode 3 der
Anodenanordnung ist erfindungsgemäß eine Schutzwand 4 mit
einer Durchtrittsöffnung 4a angeordnet.
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Die
Kathode 2 umfasst einen Feldemitter 5 mit einem
Feldemitterring 5a, der auf einer elektrisch leitfähigen
Feldemitterscheibe 5b angeordnet ist. Die Feldemitterscheibe 5b sitzt
verdrehfest auf einer Welle 6.
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Die
Kathode 2 liegt auf einem Kathodenpotenzial UK von
beispielsweise –120 kV.
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Die
Kathode 2 umfasst weiterhin ein stationäres Extraktionsgitter 7,
das im Vakuumgehäuse 1 gehaltert ist. Das Extraktionsgitter 7 liegt
auf einem Gitterpotenzial UG, das das negative
Kathodenpotenzial UK um ein Extraktionspotenzial
UE von beispielsweise +2 kV erhöht.
Das Gitterpotenzial UG des Extraktionsgitters 7 beträgt
somit –118 kV und ist damit gegenüber dem Kathodenpotenzial
UK des Feldemitters 5 geringfügig
positiver. Beim Anlegen des Gitterpotenzials UG emittiert
der Feldemitterring 5a des Feldemitters 5 freie
Elektronen.
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Als
Material für den Feldemitterring 5a sind prinzipiell
alle Materialien geeignet, die eine Feldemission von Elektronen
ermöglichen. Vorzugsweise besteht der Feldemitterring 5a aus
einem Nanomaterial auf Basis von Kohlenstoff, insbesondere aus Carbon-Nano-Tubes
(CNT). Feldemissionskathoden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen
sind z. B. in dem Artikel von Zhang et al. in Applied Physics
Letters 86, 184104 (2005) beschrieben.
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Das
Potential UA der Anode 3 liegt
auf Masse und die Röntgenstrahlung erzeugende Schicht besteht
beispielsweise aus Wolfram. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die Anode 3 als Stehanode ausgeführt und mittels
einer Halterung 8 im Vakuumgehäuse 1 befestigt.
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Im
Rahmen der Erfindung sind jedoch auch Ausgestaltungen möglich,
bei der die Anode 3 drehbar gelagert ist (Drehanode), oder
bei der die Röntgenröhre als Drehkolben-Röntgenröhre
ausgeführt ist.
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Die
vom Feldemitterring 5a der Kathode 2 mittels Feldemission
erzeugten freien Elektronen (in 1 nicht
dargestellt) werden von einem Fokussierungselement 9 fokussiert
und mittels eines elektrischen Feldes in Richtung der Anode 3 beschleunigt. Die
von der Kathode 2 emittierten Elektronen treten auf ihrem
Weg zur Anode 3 durch die in der Schutzwand 4 angeordnete
Durchtrittsöffnung 4a hindurch. Beim Auftreffen
auf die Anode 3 erzeugen die Elektronen auf bekannte Weise
Röntgenstrahlung (in 1 ebenfalls
nicht dargestellt).
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene Schutzwand 4 verhindert
zum weitaus größten Teil ein Auftreffen der beim
Beschuss mit Elektronen aus der Anode 3 austretenden Kationen
(positiv geladene Ionen) auf die Kathode 2. Auch die von
der Anode 3 zurück gestreuten Elektronen (Rückstreuelektronen) werden
durch die Schutzwand 4 an einem Rückflug zur Kathode 2 gehindert.
Lediglich Kationen oder zurück gestreute Elektronen, die
durch die Durchtrittsöffnung 4a gelangen, können
die Kathode 2 treffen und dadurch verunreinigen und/oder
beschädigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Kationen
oder einzelne zurück gestreute Elektronen die Kathode 2 durch
die Durchtrittsöffnung 4a hindurch erreichen, ist
jedoch auch aufgrund des elektrischen Feldes, das für die
Beschleunigung der E lektronen in Richtung der Anode 3 verantwortlich
ist, äußerst gering. Der Feldemitterring 5a kann
somit zuverlässig vor Bombardements durch Kationen und
Rückstreuelektronen bewahrt werden.
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Die
Schutzwand 4 der Röntgenröhre gemäß 1 schützt
die Kathode 2 darüber hinaus vor thermischer Strahlung,
die von der heißen Anode 3 emittiert wird und
für den Feldemitter 5 ebenfalls eine Gefährdung
darstellt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre liegen die Kathode 2 auf
einem negativen Potenzial, die Anode 3 und die Schutzwand 4 auf
Massepotenzial. Dadurch, dass die Schutzwand 4 auf dem
gleichen Potenzial wie die Anode 3 liegt, entsteht in vorteilhafter
Weise zwischen der Schutzwand 4 und der Anode 3 ein
feldfreier Raum.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre liegen die Kathode 2 auf
Massepotenzial, die Anode 3 und die Schutzwand 4 auf
einem positiven Potenzial. Auch bei dieser Variante liegen die Schutzwand 4 und
die Anode 3 auf gleichem Potenzial, so dass wiederum zwischen
der Schutzwand 4 und der Anode 3 ein feldfreier
Raum vorliegt.
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Im
Rahmen der Erfindung kann die Kathode 2 z. B. auf einem
negativen Kathodenpotenzial UK von –120
kV liegen und die Schutzwand 4 weist ein positives Potenzial
von +60 kV auf. Das Anodenpotential UA liegt
bei dieser Ausführungsform dann auf Masse. Durch das positive
Potenzial der Schutzwand 4 werden in vorteilhafter Weise
die Rückstreuelektronen von der Schutzwand 4 absorbiert.
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Die 2 dargestellte
Röntgenröhre umfasst ebenfalls ein Vakuumgehäuse,
das mit 11 bezeichnet ist. In dem Vakuumgehäuse 11 sind
eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung angeordnet. Die
Kathodenanordnung umfasst eine einzige Kathode 12 um die
Anodenanordnung eine einzige Anode 13. Aus Grün den
der Übersichtlichkeit sind wiederum nur die Kathode 12 und
die Anode 13 dargestellt.
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Zwischen
der Kathode 12 der Kathodenanordnung und der Anode 13 der
Anodenanordnung ist – ebenso wie bei der Röntgenröhre
gemäß 1 – eine Schutzwand 14 mit
einer Durchtrittsöffnung 14a angeordnet.
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Die
Kathode 12 umfasst bei der in 2 gezeigten
Röntgenröhre 11 einen thermischen Emitter 15,
der über eine Halterung 16 im Vakuumgehäuse 11 befestigt
ist.
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Die
Kathode 12 liegt auf einem Kathodenpotenzial UK von
beispielsweise –120 kV.
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Da
die Kathode 12 bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen thermischen Emitter 15 umfasst,
entfällt das bei einem Feldemitter notwendige Extraktionsgitter.
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Im
Rahmen der Erfindung kann es sich bei dem thermischen Emitter 15 um
einen Emitter handeln, der über eine Widerstandsheizung
beheizbar ist (Glühwendel, Flachemitter) oder der eine
laserinduzierte Elektronenemission ermöglicht.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform ist die Anode 13 als
Stehanode ausgeführt und mittels einer Halterung 17 im
Vakuumgehäuse 1 befestigt.
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Die
vom thermischen Emitter 15 der Kathode 12 mittels
Glühemission erzeugten freien Elektronen (in 2 nicht
dargestellt) werden durch ein Fokussierungselement 18 fokussiert
und mittels eines elektrischen Feldes in Richtung der Anode 13 beschleunigt.
Die von der Kathode 12 emittierten Elektronen treten auf
ihrem Weg zur Anode 13 durch die in der Schutzwand 14 angeordnete
Durchtrittsöffnung 14a hindurch. Beim Auftreffen
auf die Anode 13 erzeugen die Elektronen auf bekannte Weise
Röntgenstrahlung (in 2 ebenfalls
nicht dargestellt).
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Die
im Vakuumgehäuse 11 angeordnete Schutzwand 14 bietet
die gleichen Vorteile wie die Schutzwand 4 der in 1 beschriebenen
Röntgenröhre. Die Ausführungen zur Schutzwand 4 gelten damit
analog auch für die Schutzwand 14.
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Zur
Vermeidung von Wiederholungen wird hinsichtlich der weiteren möglichen
Ausgestaltungen der in 2 dargestellten Röntgenröhre
auf die Ausführungen zu den Ausgestaltungen der Röntgenröhre
gemäß 1 hingewiesen.
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Bei
der in 3 dargestellten Röntgenröhre handelt
es sich um eine Ringröhre (ringförmige Röntgenröhre).
Eine derartige Ringröhre könnte beispielsweise
in Computertomografie-Geräten eingesetzt werden.
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Die
Ringröhre gemäß 3 umfasst
ein ringförmiges Vakuumgehäuse 21, in
dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung angeordnet sind.
Die Kathodenanordnung umfasst mehrere identisch aufgebaute Kathoden,
von denen in 3 aufgrund der gewählten
Darstellung nur eine Kathode 22 sichtbar ist.
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Die
Anodenanordnung umfasst eine ringförmige Anode 23,
die auf einem positiven Anodenpotenzial UA von
z. B. +120 kV liegt und über Isolatoren 24 (in 3 ist
nur ein Isolator sichtbar) im Vakuumgehäuse 21 befestigt
ist.
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Zwischen
der Kathode 22 und der Anode 23 ist erfindungsgemäß eine
Schutzwand 25 mit einer Durchtrittsöffnung 25a angeordnet.
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Die
Kathode 22 umfasst einen Feldemitter 26, der mit
seinem Potenzial (Kathodenpotenzial UK) auf
Masse liegt.
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Die
Kathode 22 umfasst weiterhin ein stationäres Extraktionsgitter 27,
das auf einem Gitterpotenzial UG, liegt
und das das auf Masse liegende Kathodenpotenzial UK um
eine Extrakti onspotenzial UE von beispielsweise
+2 kV erhöht. Durch das Anlegen des Extraktionspotenzials
UE emittiert der Feldemitter 26 freie
Elektronen (in 3 nicht dargestellt).
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Die
vom Feldemitter 26 emittierten Elektronen werden von einem
Fokussierungselement 28 fokussiert und mittels eines elektrischen
Feldes in Richtung der auf positivem Anodenpotenzial (UA = +120
kV) liegenden Anode 23 beschleunigt. Die von der Kathode 22 emittierten
Elektronen treten auf ihrem Weg zur Anode 23 durch die
in der Schutzwand 25 angeordnete Durchtrittsöffnung 24a.
Beim Auftreffen auf die Anode 23 erzeugen die Elektronen
auf bekannte Weise Röntgenstrahlung 29, die über
ein im Vakuumgehäuse 21 angeordnetes Röntgenstrahlenaustrittsfenster 30 austritt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind
im Rahmen der Erfindung weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Röntgenröhre
möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2727907
C2 [0002]
- - DE 102005049601 A1 [0006]
- - US 2007/0086571 A1 [0006]
- - US 6553096 B1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://www.xintek.com/products/xray/index.htm [0005]
- - Zhang et al. in Applied Physics Letters 86, 184104 (2005) [0030]