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Die
Erfindung bezieht sich auf eine thermionische Emissionsvorrichtung,
insbesondere für den Einsatz in einer Röntgenröhre,
mit einem indirekt beheizten Hauptemitter, der als Flachemitter
mit einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche ausgebildet ist,
und mit einem Heizemitter, der als Flachemitter mit einer strukturierten
Heizemissionsfläche ausgebildet ist, wobei der Hauptemitter
und der Heizemitter jeweils mindestens zwei Anschlussfahnen aufweisen,
und wobei die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche
im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Eine
solche thermionische Emissionsvorrichtung, die in einer Röntgenröhre
als Kathode wirksam ist, ist aus der
WO 2008/047269 A2 bekannt.
Bei dieser Emissionsvorrichtung wird eine indirekt beheizte, unstrukturierte
flache Emissionsfläche mit wenigstens zwei Fixierungselementen,
die in der Ebene der Emissionsfläche liegen und durch die
ein elektrischer Strom geführt werden kann, in einer sie
umgebenden Einheit baulich fixiert. Diese Emissionsfläche
wird durch Elektronenbeschuss von einem direkt beheizten Flachemitter
mit einer strukturierten Emissionsfläche, durch die ein
Heizstrom geführt wird, beheizt.
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Unter
einer unstrukturierten Emissionsfläche wird eine flache,
im Wesentlichen homogene Emissionsfläche ohne Schlitze
oder ähnliche Unterbrechungen verstanden. Eine Emissionsfläche,
die durch Schlitze unterbrochen ist oder eine mäanderförmige Leiterbahn
aufweist, wird als strukturiert bezeichnet.
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Von
herausragender Bedeutung für die Qualität der
von einer Röntgenröhre erzeugten Röntgenstrahlung
ist die Größe des Brennfleckes, an dem die von
der Kathode in Richtung der Anode beschleunigten Elektronen auf
die Anode treffen. Die Größe des Brennfleckes
kann durch die Ausgestaltung der Elektronenemittierenden Bauteile
nachteilig beeinflusst werden.
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Wird
zur Erzeugung von Röntgenstrahlung beispielsweise ein direkt
beheizter Flachemitter zur Elektronenemission eingesetzt, so ist
seine Emissionsfläche im Allgemeinen strukturiert und weist Schlitze
oder ähnliche Unterbrechungen auf. Eine derartige mäanderfömige
Struktur der Leiterbahn ist nämlich im Allgemeinen notwendig,
damit der Heizstrom die gesamte Emissionsfläche durchfließt
und gleichmäßig aufheizt. Die elektrischen Feldlinien
reichen dann in die durch die Schlitze geschaffenen Zwischenräume
in der Emissionsfläche hinein und erhalten dadurch eine
Komponente tangential zur Emissionsfläche. Da die Elektronen
auf ihrem Weg zur Anode im Wesentlichen den Feldlinien folgen, verstärkt
sich die optische Aberration der Elektronenquelle, und der Brennfleck
wird auf unerwünschte Weise vergrößert.
Aus diesem Grund wird im Allgemeinen die oben erwähnte
Bauweise mit einem indirekt beheizten, unstrukturierten Emitter
bevorzugt.
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Allerdings
weist die aus der
WO 2008/047269
A2 bekannte Emissionsvorrichtung den Nachteil auf, dass
eine thermische Ausdehnung der auch als Emitterbeine bezeichneten
Anschlussfahnen zu einer Wölbung der Hauptemissionsfläche
und damit zu einer unerwünschten Defokussierung des Elektronenstrahls
führen kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Emissionseinrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei der mit konstruktiv einfach
gehaltenen Mitteln eine möglichst hohe Qualität des
Brennfleckes erreicht wird, und bei der auch bei hoher thermischer
Belastung eine unerwünschte Aufweitung oder Defokussierung
des Elektronenstrahls vermieden ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Anschlussfahnen des Hauptemitters im Wesentlichen senkrecht
zur Hauptemissionsfläche ausgerichtet sind und in lateraler
Richtung nicht über die Hauptemissionsfläche herausstehen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass gerade bei der bislang üblichen
Bauweise, bei der die den Emitter mit Strom versorgenden Anschlussfahnen
oder Leiterbeine im Wesentlichen in der Ebene der Emissionsfläche
liegen und diese seitlich fixieren, sich die Emissionsfläche
bei thermischer Ausdehnung leicht wölben kann, was unter
Umständen zu einer unerwünschten Defokussierung
des Elektronenstrahls führt. Darüber hinaus kann
im Betriebszustand gerade auch von den Anschlussfahnen ein gewisser
Anteil an thermisch angeregten Elektronen austreten und in Richtung
Anode beschleunigt werden, wodurch sich eine unerwünschte
Vergrößerung des Brennfleckes ergibt. Mit der
nunmehr vorgesehenen Anordnung von Heizemitter, Hauptemitter und
Anschlussfahnen werden derartige Probleme bereits im Ansatz konsequent
vermieden.
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Darüber
hinaus trägt die vorliegende Erfindung dem Umstand Rechnung,
dass in vielen Fällen eine bauraumbezogene Optimierung
einer thermionischen Emissionsvorrichtung in Röntgenröhren,
insbesondere in Drehkolbenstrahlern, wünschenswert ist.
In einer Vielzahl von Röntgenröhren sind die Emitter
nämlich von einem Fokuskopf umgeben, der auf der anodenzugewandten
Seite nicht eben ist. Gerade bei derartigen Konfigurationen ist
es ungünstig, wenn die Elemente, die zur baulichen Fixierung
der Emitter und zur Stromzuführung dienen, seitlich über die
Hauptemissionsfläche hervorstehen. Da bei der nunmehr vorgesehenen
Anordnung die Anschlussfahnen des Hauptemitters von vornherein lateral nicht über
seine Emissionsfläche herausstehen, kann die Emissionseinheit
mit der Hauptemissionsfläche baulich eng von einem umliegenden
Fokuskopf oder einer Blende oder dergleichen eingeschlossen werden.
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Aufgrund
der Verwendung einer unstrukturierten Emissionsfläche verlaufen
für den Hauptemitter die Elektronenbahnen nahe dem Emissionsort
der Elektronen im Wesentlichen ohne Tangentialkomponente zur Emissionsfläche.
Bei einem so genannten Heizemitter, der zum indirekten Heizen des
Hauptemitters verwendet wird, fallen dagegen Inhomogenitäten
in der Emissionsfläche, die beispielsweise durch Schlitze
entstehen, nicht so sehr ins Gewicht. Deshalb eignet sich ein derartig
strukturierter Emitter sehr gut als Heizemitter.
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Die
im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung der Anschlussfahnen zu den
jeweiligen Emissionsflächen stellt sicher, dass von den
Anschlussfahnen emittierte Elektronen die Anode nicht erreichen
und so den Brennfleck unerwünscht vergrößern.
Die Anschlussfahnen können durch elastische Ausdehnung die
thermische Expansion der unstrukturierten Emissionsfläche
kompensieren, ohne dass sich diese deformiert oder wölbt.
Die thermische Ausdehnung der Anschlussfahnen selber ist bei dieser
Anordnung weitgehend unproblematisch. Da sie alle Anschlussfahnen
in gleicher Weise und im Wesentlichen im gleichen Maße
betrifft, tritt allenfalls eine hinnehmbare geringfügige
Längsverschiebung der gesamten Emissionsfläche,
aber keine Wölbung oder Neigung auf.
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Vorteilhafterweise
sind die Dimensionen des Heizemitters so gewählt, dass
die Heizemissionsfläche in lateraler Richtung nicht über
die Hauptemissionsfläche hervorsteht.
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Vorzugsweise
stehen die Anschlussfahnen des Heizemitters in lateraler Richtung
nicht über die Heizemissionsfläche heraus. Ein
in lateraler Hinsicht minimaler Raumbedarf wird dann erreicht, wenn
sowohl die Heizemissionsfläche als auch die Anschlussfahnen
des Heizemitters seitlich nicht über die Hauptemissionsfläche
herausstehen.
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Die
Heizemissionsfläche ist vorzugsweise als mäanderförmige
Leiterbahn ausgebildet. Im Betriebszustand des Heizemitters definiert
die Leiterbahn den Weg des Heizstroms durch die Emissionsfläche.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist jeder der beiden
Emitter genau zwei Anschlussfahnen auf. Diese sind vorzugs weise
einander gegenüberliegend mit dem äußeren
Rand der jeweiligen Emissionsfläche verbunden bzw. an die
Emissionsfläche angeformt.
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Im
Betriebszustand der Emissionseinheit wird durch die Heizemissionsfläche
ein Heizstrom geführt, der zu einer thermischen Emission
von Elektronen führt. Die vom Heizemitter freigesetzten
Elektronen treffen auf die anodenabgewandte, rückwärtige
Seite des Hauptemitters und heizen diesen bei ihrem Aufprall auf,
so dass dessen Vorderseite selber Elektronen emittiert, die zur
Anode beschleunigt werden. Durch die Hauptemissionsfläche
wird üblicherweise ebenfalls ein Strom geführt,
der die durch Emission abgegebenen Elektronen nachliefert.
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In
einer weiteren Ausführungsform weisen beide Emitter – Hauptemitter
und Heizemitter – jeweils genau zwei Anschlussfahnen auf,
wobei die beiden Emitter derartig angeordnet sind, dass die insgesamt
vier Anschlussfahnen im Wesentlichen in einer Reihe stehen. Dies
bedeutet, dass die zwei Anschlussfahnen des Heizemitters im Wesentlichen räumlich
zwischen den Anschlussfahnen des Hauptemitters stehen. Diese Anordnung
erlaubt eine Verbesserung der Brennfleckqualität, indem
der Heizstrom und der Strom durch die Hauptemissionsfläche gegensinnig
und mit im Wesentlichen identischer Stromstärke geführt
werden. Auf diese Weise kompensieren sich die beiden durch die Ströme
erzeugten Magnetfelder weitgehend. Es wird somit vermieden, dass
das vom Heizstrom erzeugte Magnetfeld die Elektronenbahnen in unerwünschter
Weise beeinflusst.
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Vorteilhafterweise
sind die Emissionsflächen beider Emitter kreisförmig
ausgebildet. Auf diese Weise wird eine optimale Volumenausnutzung
in einer äußerst symmetrischen Bauweise erreicht.
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Die
Hauptemissionsfläche ist gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform mit Segmenten umgeben, die bevorzugt jeweils
die Form eines Kreisringabschnitts haben, wobei jedes Segment durch
vorzugsweise einen oder mehrere schmale Stege mit der vorzugsweise
kreisförmigen Hauptemissionsfläche verbunden ist.
Die zur Temperaturabsenkung an den Rändern der Emissionsfläche
vorgesehenen Segmente sollen dabei untereinander keine direkte Verbindung
haben. Es erweist sich als vorteilhaft, die Stege derart zu wählen;
dass im Wesentlichen kein Strom von der Hauptemissionsfläche
in die Segmente fließt, und dass weiterhin im Wesentlichen
kein Wärmetransport von der Hauptemissionsfläche über die
Stege in die Segmente stattfindet. Dadurch wird erreicht, dass die
Segmente nicht Elektronen emittieren, was zu einer Vergrößerung
des Brennfleckes führen würde. Durch die Stege
werden die Äquipotentialflächen des elektrischen
Potentials am Rande der Emissionsfläche entzerrt, wodurch
verhindert wird, dass sich die Elektronenbahnen der von dem Randgebiet
emittierten Elektronen verbiegen. Der Ring aus Segmenten schirmt
ferner Elektronen ab, die sich thermisch von der anodenabgewandten
Seite des Emitters lösen.
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Vorzugsweise
ist der Hauptemitter auf der dem Heizemitter gegenüberliegenden
Seite von einer Blende umgeben. Der Einsatz einer Blende erlaubt
die Abschirmung von Randbereichen der Hauptemissionsfläche,
von denen keine Elektronen zur Anode beschleunigt werden sollen.
Die Blendenöffnung ist vorteilhafterweise einstellbar bzw.
regelbar, wodurch die Größe des Brennfleckes aktiv
beeinflusst werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist eine Spannungsquelle
mit ihrem positiven Pol mit der Hauptemissionsfläche und
mit ihrem negativen Pol mit der Heizemissionsfläche verbunden.
Die Verbindung erfolgt beispielsweise über die jeweiligen Anschlussfahnen
der beiden Emitter. Die angelegte Spannung sollte vorzugsweise zwischen
0 und 300 Volt liegen. Auf diese Weise werden die Elektronen, die
sich im Betriebszustand des Heizemitters von seiner Emissionsfläche
lösen, in Richtung der Hauptemissionsfläche beschleunigt,
wo ihre Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt und
somit die Hauptemissionsfläche beheizt wird.
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Vorzugsweise
wird wenigstens eine thermionische Emissionsvorrichtung der oben
genannten Art in einer Röntgenröhre eingesetzt.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass eine optimierte Bauraumausnutzung der Emissionsvorrichtung
mit einer hohen Brennfleckgüte kombiniert wird. Aufgrund
der im Wesentlichen senkrecht zur Emissionsfläche gewählten
Ausrichtung der Anschlussfahnen des Hauptemitters, welche lateral
nicht über die Hauptemissionsfläche hervorstehen,
besteht in lateraler Richtung kein Platzbedarf für eine
bauliche Fixierung und/oder die Stromzufuhr. Der so gewonnene Bauraum
kann vielmehr anderweitig genutzt werden. Die Anordnung der beiden
Emitter zueinander, bei der die Hauptemitterfläche und
die Heizemitterfläche im Wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet sind, sowie die Verwendung eines unstrukturierten Flachemitters
zur Erzeugung des Elektronenstrahls stellen sicher, dass im Wesentlichen
nur Elektronen, die von der Hauptemissionsfläche emittiert werden,
die Anode erreichen. Durch Verwendung einer Blende kann der Bereich
der Hauptemissionsfläche, von dem emittierte Elektronen
zur Anode gelangen sollen, bedarfsgemäß eingeschränkt
werden.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in
jeweils schematisierter Darstellung:
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1 eine
thermionische Emissionsvorrichtung mit einem unstrukturierten Hauptemitter
in einer ersten Ausführungsform und einem strukturierten Heizemitter
in perspektivischer Sicht,
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2 den
Hauptemitter aus 1 gemäß der
ersten Ausführungsform in Draufsicht,
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3 einen
Hauptemitter in einer zweiten Ausführungsform in Draufsicht,
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4 eine
Variante der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß 1 im
Betriebszustand in seitlicher Sicht, und
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5 die
thermionische Emissionsvorrichtung gemäß 4 im
Betriebszustand mit einer angeschlossenen Spannungsquelle in seitlicher
Sicht.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 gezeigte thermionische Emissionsvorrichtung 1 umfasst
einen als Flachemitter ausgebildeten Hauptemitter 2 mit
einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche 4 und
zwei Anschlussfahnen 6, die in den Verbindungsbereichen 7 mit
dem äußeren Rand der Hauptemissionsfläche 4 verbunden sind.
Für eine in lateraler Richtung besonders platzsparende
Anbringung und zur Verhinderung von unerwünschten Emissionen
außerhalb der Hauptemissionsfläche 4 sind
die Anschlussfahnen 6 im Wesentlichen senkrecht zur Hauptemissionsfläche 4 ausgerichtet.
Dadurch ist auch einer unerwünschten Durchwölbung
der Hauptemissionsfläche 4 infolge thermischer
Ausdehnung entgegengewirkt. Dabei können die Anschlussfahnen 6 und
die Hauptemissionsfläche 4 getrennt hergestellte
Komponenten sein, die miteinander verbunden oder aneinander angeformt sind.
Hauptemissionsfläche 4 und Anschlussfahnen 6 können
alternativ auch aus einem zusammenhängenden Stück
Material hergestellt und z. B. durch Abbiegen der Anschlussfahnen 6 in
die gewünschte Form gebracht sein.
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Im
Falle des bestimmungsgemäß vorgesehenen Einsatzes
der Emissionsvorrichtung 1 in einer Röntgenröhre
werden die von der Hauptemissionsfläche 4 emittierten
Elektronen in der Hauptemissionsrichtung 5 zu einer hier
nicht dargestellten Anode hin beschleunigt.
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Die
Emissionsvorrichtung 1 umfasst weiterhin einen als Flachemitter
ausgebildeten Heizemitter 8 mit einer strukturierten Heizemitterfläche 10,
die durch Schlitze in eine mäanderförmige Leiterbahn ausgestaltet
ist, und zwei Anschlussfahnen 12, die in den Verbindungsbereichen 13 mit
der Heizemissionsfläche 10 verbunden sind. Die
Hauptemissionsfläche 4 und die Heizemissionsfläche 10 sind
dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und derart
dimensioniert, dass die Heizemissionsfläche 10 und
die Anschlussfahnen 6, 12 lateral nicht über die
Hauptemissionsfläche 4 herausstehen.
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Das
heißt, die Anschlussfahnen 12 sind senkrecht zur
Heizemissionsfläche 10 ausgerichtet, verlaufen
also parallel zu den Anschlussfahnen 6 des Hauptemitters 2.
Die Anschlussfahnen 6, 12 weisen alle in die gleiche
Richtung, nämlich entgegen der Hauptemissionsrichtung 5,
von der jeweiligen Emissionsfläche weg. Der Heizemitter 8 ist
damit gewissermaßen in den Hauptemitter 2 geschachtelt.
Durch diese Anordnung wird in lateraler Richtung, d. h. in einer
Richtung parallel zur Ebene der Hauptemissionsfläche 4 (und
somit transversal zur Hauptemissionsrichtung 5) kein zusätzlicher
Raum für die Stromzuführung und die Halterung
benötigt. Diese Komponenten liegen vielmehr vollständig
im Bauraum „hinter” der Hauptemissionsfläche 5.
Bei einer Draufsicht auf die emittierende Vorderseite der Hauptemissionsfläche 5 sind
sie von ihr verdeckt.
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Dem
Hauptemitter 2 kann im Betriebszustand über die
Anschlussfahnen 6 ein Betriebsstrom, dem Heizemitter 8 über
die Anschlussfahnen 12 ein Heizstrom zugeführt
werden.
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Eine
erste Ausgestaltungsform des Hauptemitters 2 ist in Draufsicht
in 2 schematisch dargestellt. Die kreisförmig
ausgebildete Hauptemissionsfläche 4 ist in den
Verbindungsbereichen 7 mit den Anschlussfahnen 6 (in
der Draufsicht verdeckt) verbunden.
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Eine
zweite Ausgestaltungsform des Hauptemitters 2 ist in Draufsicht
in 3 schematisch dargestellt. Die kreisförmig
ausgebildete Hauptemissionsfläche 4 ist mit kreisringabschnittsförmigen
Segmenten 14 über Stege 16 verbunden.
Die Segmente 14 haben untereinander keine direkte Verbindung und
sind durch Lücken 18 voneinander getrennt. Die Stege 16 sind
solchermaßen ausgestaltet, dass ein Stromfluss von der
Hauptemissionsfläche 4 in die Segmente 14 weitgehend
unterbunden ist, so dass sich die Segmente 14 nicht aufheizen
und Elektronen emittieren. Durch die Segmente 14 wird ein
Verbiegen der zu den von dem äußeren Rand der
Hauptemissionsfläche 4 emittierten Elektronen
korrespondierenden Elektronenbahnen verhindert. Weiterhin vermindert
die Anwesenheit der Segmente 14, dass Elektronen, die von
der anodenabgewandten Rückseite der Hauptemissionsfläche 4 emittiert
werden, zur Anode beschleunigt werden und somit den Brennfleck vergrößern.
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4 zeigt
in Seitenansicht eine bevorzugte Variante der thermionischen Emissionsvorrichtung 1 im
Betriebszustand. Die beiden Anschlussfahnen 6 des Hauptemitters 2 und
die beiden Anschlussfahnen 12 des Heizemitters 8 sind
mit entgegengesetzten Polen wenigstens einer Stromquelle verbunden. Durch
den Hauptemitter 2 wird ein Emitterstrom IE geführt,
durch den Heizemitter 8 wird ein Heizstrom IH geführt.
In dieser speziellen Anordnung sind abweichend von der Variante
gemäß 1 alle vier Anschlussfahnen 6, 12 im
Wesentlichen in einer Reihe angeordnet. Das heißt, alle
vier Verbindungsstellen 7, 13 liegen abweichend
von der Darstellung in 1 entlang einer gedachten Geraden.
Dadurch werden die Ströme IE und
IH gegensinnig geführt. Vorteilhafterweise
werden die Stromstärken dieser beiden Ströme im
Wesentlichen gleich groß eingestellt. Auf diese Weise kompensieren
sich die von den Strömen IE und
IH erzeugten Magnetfelder zu einem Großteil und
ihr Einfluss auf die Elektronenbahnen der emittierten Elektronen
ist weitgehend aufgehoben.
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Die
thermionische Emissionsvorrichtung 1 im Betriebszustand
ist in 5 in Seitenansicht in einer weiteren Ausgestal tungsform
gezeigt. Der Pluspol einer Spannungsquelle 22 ist mit einer
der Anschlussfahnen 6 des Hauptemitters 2 verbunden,
ihr Minuspol ist mit einer der Anschlussfahnen 12 des Heizemitters 8 verbunden.
Vorzugsweise sollte die angelegte Spannung U zwischen 0 und 300
Volt betragen. Die thermisch aus dem Heizemitter 8 austretenden
Elektronen werden in einem elektrischen Feld mit Feldrichtung 28 in
Richtung der Hauptemissionsfläche 4 beschleunigt.
Dadurch wird der Effekt der indirekten Beheizung der Hauptemissionsfläche 4 durch
Elektronenbeschuss optimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/047269
A2 [0002, 0006]