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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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Weiterhin
ist aus der
DE 100
04 896 A1 eine thermoionische Emissionsvorrichtung bekannt,
die als Flachemitter ausgebildet ist. Der Flachemitter besteht aus
einem runden Blechteil und weist speziell ausgerichtete Anschlussfahnen
auf, die von den am runden Blechteil angeformten Emitterbeinen gebildet werden.
Die Emitterbeine sind an ihren Enden mit Anschlüssen versehen, die in geeigneter
Weise mit Stromleitungen für
den Heizstrom verbunden sind. Die Emitterbeine sind zum Einbau derart
nach innen, also entgegengesetzt zur Wärmeausdehnung, abgewinkelt,
dass sich beide Emitterbeine überkreuzen. Ein Verziehen
des Flachemitters wird dadurch zumindest verringert.
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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 vorzugsweise 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 Ausgestaltungsform
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.
