DE102009043892A1

DE102009043892A1 - Einrichtung für einen mit Oberflächenbeschichtung ausgerüsteten Röntgenröhrenisolator und Verfahren zum Zusammenbau desselben

Info

Publication number: DE102009043892A1
Application number: DE102009043892A
Authority: DE
Inventors: Yang Cao; Daniel Qi Tan; Richard Michael Menomonee Falls Roffers; Carey S. Brookfield Rogers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-04-15
Also published as: JP2010067609A; JP5555462B2; US20100067661A1; US7783012B2

Abstract

Offenbart ist ein Isolator für eine Vakuumröhre (12), der ein elektrisch isolierendes Grundmaterial (73) und eine erste antiferroelektrische Beschichtung (88, 94) aufweist, die auf einen ersten Abschnitt (90, 96, 99) des Grundmaterials (73) aufgetragen ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Röntgenröhren und im Besonderen ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsisolators für Röntgenröhren. Die Erfindung wird mit Bezug auf ein Röntgensystem beschrieben, jedoch wird ein Fachmann erkennen, dass die Erfindung beispielsweise in Elektronenröhren oder in sonstigen Vorrichtungen genutzt werden kann, in denen Hochspannungsinstabilität auftritt.
Röntgensysteme enthalten gewöhnlich eine Röntgenröhre, einen Detektor und eine Gantry, um die Röntgenröhre und den Detektor zu tragen. Im Betrieb befindet sich zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor ein Bildgebungstisch, auf dem ein Objekt positioniert ist. Die Röntgenröhre emittiert gewöhnlich eine Strahlung, z. B. Röntgenstrahlen, in Richtung des Objekts. Die Strahlung durchstrahlt im Allgemeinen das auf dem Bildgebungstisch angeordnete Objekt und trifft auf den Detektor. Während die Strahlung das Objekt durchquert, rufen innere Strukturen des Objekts räumliche Varianzen an der an dem Detektor empfangenen Strahlung hervor. Der Detektor übermittelt anschließend die empfangenen Daten, und das System übersetzt die Strahlungsvarianzen in ein Bild, das verwendet werden kann, um die innere Struktur des Objekts auszuwerten. Der Fachmann wird erkennen, dass das Objekt, ohne Beschränkung der Allgemeinheit einen Patienten in einem medizinischen Bildgebungsverfahren oder auch ein unbelebtes Objekt, beispielsweise ein Paket in einem Computertomographie-(CT)-Paketscanner, beinhalten kann.
Röntgenröhren können eine rotierende Anodenkonstruktion enthalten, die dazu dient, die Wärme zu verteilen, die an einem Brennfleck erzeugt wird. Die Anode wird gewöhnlich durch einen Induktionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor aufweist, der in eine freitragende Welle eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget und eine mit Kupferwicklungen ausgerüstete eiserne Statorkonstruktion trägt, die einen länglichen Hals der Röntgenröhre umgibt. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung wird durch den Stator angetrieben. Eine Röntgenkathode erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, der über einen zwischen Kathode und Anode vorhandenen Vakuumspalt beschleunigt wird und bei seinem Aufprall auf der Anode Röntgenstrahlen erzeugt. Aufgrund der hohen Temperaturen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Target entstehen, wird die Anodenanordnung gewöhnlich mit einer hohen Drehzahl gedreht.
Röntgenröhren neuerer Generation stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Bereitstellung höherer Spitzenleistung und höherer Beschleunigungsspannungen. Beispielsweise arbeiten in medizinischen Anwendungen eingesetzte Röntgenröhren gewöhnlich bei 140 kV oder darüber, während im Falle von in Sicherheitsanwendungen eingesetzten Röntgenröhren in der Regel 200 kV oder mehr zum Einsatz kommen. Ein Fachmann wird allerdings erkennen, dass die Erfindung nicht auf diese Spannungen beschränkt ist, und dass gleichermaßen Anwendungen in Betracht kommen können, die mehr als 200 kV erfordern. Bei diesen Spannungen sind Röntgenröhren für Hochspannungsinstabilität und Isolatoroberflächenfunkenüberschlag anfällig, was die Lebensdauer der Röntgenröhre verkürzen oder den Betrieb des Bildgebungssystems beeinträchtigen kann.
In einer typischen Röntgenröhre ist ein scheibenförmiger keramischer Isolator angeordnet, in dem eine Öffnung für elektrische Anschlüsse ausgebildet ist. In der Kathodensäule oder dem Kanal für die elektrischen Anschlüsse sind gewöhnlich drei oder mehr elektrische Anschlussleitungen zum Anlegen einer Spannung an die Kathode untergebracht. Typischerweise ist der Isolator an seiner zentralen Öffnung mit der Kathodensäule verbunden, die die Kathode strukturell stützen kann. Die Kathode weist gewöhnlich einen oder mehrere Wolframglühdrähte auf. Der Isolator ist an seinem Umfang gewöhnlich hermetisch mit einem zylindrischen Rahmen verbunden, der eine Vakuumkammer beherbergt, in der gewöhnlich die Anode und die Kathode positioniert sind.
Röntgenröhren können bei bis zu 100 kW Spitzenleistung und über Stunden hinweg bei einer mittleren Leistung von 5 kW arbeiten. An den Kontaktstellen zwischen dem Isolator und der Halterungskonstruktion der zentralen Kathode sowie zwischen dem Isolator und dem Röntgenröhrenrahmen sind Röntgenröhren für Hochspannungsbelastungen anfällig. Diese Kontaktstellen werden üblicherweise als Dreipunktkontaktstellen bezeichnet, die die Überschneidung von Metall, Dielektrikum und Vakuum beschreiben. Dreipunktkontaktstellen sind oft Quellen von auf einer Feldemission von Elektronen zurückzuführenden Hochspannungsinstabilität, die die Lebensdauer der Röntgenröhre verkürzen kann.
Unvollkommenheiten auf der Isolatoroberfläche in dem Vakuumbereich können Partikel von Oberflächenverunreinigung, Poren oder Blasen sowie auf spanabhebende Bearbeitung zurückzuführende Rillen und Vertiefungen beinhalten, und können zu einer Sekundärelektronenemission führen. Diese tritt auf, wenn von einem Feld emittierte Elektronen auf der Isolatoroberflä che auftreffen, wobei zusätzliche Elektronen in den Vakuumbereich freigeben werden. Ein Kaskadierungseffekt kann eine elektrische Lichtbogenbildung und einen Isolatoroberflächenfunkenüberschlag hervorrufen. Die Gefahr eines Isolatoroberflächenfunkenüberschlags in einer Röntgenröhre lässt sich verringern, indem die Intensität des elektrischen Felds an der Isolatoroberfläche in der Nähe der Dreipunktkontaktstelle reduziert wird, und indem die zu der Sekundärelektronenemission beitragenden Unvollkommenheiten längs der Isolatoroberfläche beseitigt werden.
Ein Sandstrahlen einer Isolatoroberfläche mit Stahl- oder Glasperlen kann die Oberfläche reinigen und die Oberflächenrauhigkeit auf etwa 1–3 μm reduzieren. Dieses Verfahren ist in der Lage, die Sekundärelektronenemission und die Wahrscheinlichkeit eines Isolatoroberflächenfunkenüberschlags im Falle der meisten Niederspannungsröntgenanwendungen ausreichend zu reduzieren. Für Hochspannungsanwendungen liefert ein mechanisches Polieren oder ein Elektropolieren durch eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit auf 0,05 bis 0,2 μm bessere Ergebnisse als ein Oberflächensandstrahlen. Jedoch sind die Isolatoren auch mittels dieser verbesserten Herstellungsverfahren bei höheren Betriebsspannungen dennoch für einen Funkenüberschlag anfällig.
Computertomographie-(CT)-Systeme repräsentieren eine fortschrittliche Anwendung der Röntgenröhrentechnologie. Um die Funktionalität einer CT-Bildgebung zu verbessern, werden höhere Anforderungen an Röntgenröhren gestellt. Die Erfordernis einer Steigerung des Patientendurchsatzes verlangt an erster Stelle eine Reduzierung der Scanzeiten. Das Zusammentreffen kürzerer Scanzeiten und höherer Belastungen von Patienten ist häufig mit einer Steigerung der Betriebsspannungen und einem häufigeren Einsatz der Röntgenröhren des CT-Systems ver bunden, was das Risiko für einen Funkenüberschlag weiter steigert.
Daher besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung eines in einer Röntgenröhre oder Vakuumröhre eingesetzten Hochspannungsisolators, der gegen einen durch Feldemission und Sekundärelektronenemission verursachten Isolatoroberflächenfunkenüberschlag beständig ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Isolators mit verbesserter Spannungsstabilität.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung basiert ein Isolator für eine Vakuumröhre auf einem elektrisch isolierenden Grundmaterial und auf einer ersten antiferroelektrischen Beschichtung, die auf einem ersten Abschnitt des Grundmaterials aufgetragen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Isolators für eine Vakuumröhre die Schritte: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Grundmaterials; und Auftragen einer ersten antiferroelektrischen Beschichtung auf eine erste Oberfläche des Grundmaterials.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Röntgenröhrenvorrichtung mit einer Kathode, einer Anode und einem Isolator, der auf einem keramischen Grundmaterial basiert, das eine erste Oberfläche und eine angrenzende zweite Oberfläche aufweist. Die Anordnung enthält ferner eine auf der ersten Oberfläche aufgetragene erste Nanokeramikbeschichtung, die eine feldabhängige erste Dielektrizitätskonstante aufweist.
Vielfältige sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen veranschaulichen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das gegenwärtig für eine Verwirklichung der Erfindung in Betracht gezogen wird:
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Bildgebungssystem, für das eine Verwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung vorteilhaft sein kann.
2 zeigt eine Schnittansicht einer Röntgenröhre, die einen Isolator mit einer Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist und sich in Verbindung mit dem in 1 veranschaulichten System nutzen lässt.
3 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts von 2 längs der Schnittlinie 3-3.
4 zeigt in einer Querschnittsansicht elektrische Kraftfeldlinien, die einen Abschnitt eines Vakuumröhrenisolators durchqueren, der keine antiferroelektrische Beschichtung aufweist.
5 zeigt einen Graph, der eine nicht lineare Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstanten und einem elektri schen Feld für ein typisches antiferroelektrisches Material veranschaulicht.
6 zeigt in einer Querschnittsansicht elektrische Kraftfeldlinien, die einen Abschnitt eines Vakuumröhrenisolator durchqueren, der eine antiferroelektrische Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist.
7 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Isolator mit einer antiferroelektrischen Beschichtung und mit einer Halbleiterbeschichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt eine anschauliche Ansicht eines CT-Systems für den Einsatz in einem nicht invasiven Paket-/Gepäck-Inspizierungssystem.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Bildgebungssystems 10, das dazu eingerichtet ist, sowohl ursprüngliche Bilddaten zu akquirieren als auch die Bilddaten für eine Wiedergabe und/oder Analyse zu verarbeiten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die Erfindung auf zahlreiche medizinische oder industrielle Bildgebungssysteme anwendbar ist, die eine Röntgenröhre verwenden, z. B. Röntgenprojektions- oder Mammographiesysteme. Andere Bildgebungssysteme, beispielsweise Computertomographiesysteme und digitale Radiographiesysteme, die für ein Volumen dreidimensionale Bilddaten akquirieren, ziehen ebenfalls Vorteile aus der Erfindung. Die folgende Erörterung des Röntgenprojektionssystems 10 dient lediglich als Beispiel einer solchen Durchführung und ist nicht beschränkend mit Blick auf die Modalität.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Röntgensystem 10 eine Röntgenröhre oder -quelle 12, die dazu eingerichtet ist, ein Röntgenstrahlenbündel 14 durch ein Objekt 16 hindurch zu projizieren. Das Objekt 16 kann einen Mensch, Gepäckstücke, oder sonstige Objekte beinhalten, die nach Bedarf zu scannen sind. Die Röntgenstrahlenquelle 12 kann eine herkömmliche Röntgenröhre sein, die Röntgenstrahlen mit einem Energiespektrum erzeugt, das gewöhnlich im Bereich von 30 kV bis 200 kV liegt. Die Röntgenstrahlen 14 durchqueren das Objekt 16 und fallen, nachdem sie durch das Objekt 16 geschwächt wurden, auf einen Detektor 18 ein. Jede Zelle in dem Detektor 18 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls, und folglich den geschwächten Strahl kennzeichnet, nachdem er das Objekt 16 durchstrahlt hat. In einem Ausführungsbeispiel ist der Detektor 18 ein auf Szintillation basierender Detektor, jedoch kommt in Betracht, dass auch Detektoren die Direktkonvertierung verwenden (z. B. CZT-Detektoren, usw.) eingesetzt werden können.
Ein Prozessor 20 nimmt die analogen elektrischen Signale von dem Detektor 18 auf und erzeugt ein Bild, das dem gescannten Objekt 16 entspricht. Ein Computer 22 steht in Datenkommunikation mit dem Prozessor 20, um einer Bedienperson, die die Bedienungskonsole 24 verwendet, zu ermöglichen, die Scanparameter zu steuern und das erzeugte Bild zu betrachten. D. h., die Bedienungskonsole 24 basiert auf einer beliebigen Bedienerschnittstelle, beispielsweise ist dies eine Tastatur, Maus, sprachgesteuerte Steuereinrichtung oder eine beliebige sonstige Eingabevorrichtung, die es einer Bedienperson erlaubt, das Röntgensystem 10 zu steuern und das rekonstruierte Bild oder sonstige Daten des Computers 22 auf einer Anzeigeeinheit 26 zu betrachten. Darüber hinaus ermöglicht die Konsole 24 einer Bedienperson, das erzeugte Bild auf einer Speichervorrichtung 28, beispielsweise auf einer Festplatten, Diskette, Compact-Disk (CD), usw., zu speichern. Die Bedienperson kann die Konsole 24 auch nutzen, um dem Computer 22 Steuerbefehle zur Steuerung eines Quellencontroller 30 einzugeben, der Leistung und Zeittaktsignale an die Röntgenstrahlenquelle 12 ausgibt.
Darüber hinaus werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Nutzung in einer Röntgenröhre beschrieben. Allerdings ist einem Fachmann außerdem klar, dass sich die Erfindung auch im Zusammenhang mit anderen Systeme (z. B. Elektronenröhren) verwenden lässt, die den Einbau eines mit Hochspannung arbeitenden elektrischen Isolators voraussetzen, an dem ein Oberflächenfunkenüberschlag oder Spannungsinstabilität auftreten kann.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre 12, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet. Die Röntgenröhre 12 enthält einen Rahmen 50 mit einem darin ausgebildeten Strahlungsemissionsdurchlass 52. Der Rahmen 50 umgibt einen Kapsel- oder Vakuumbereich 54 und beherbergt eine Anode 56, einen Lagereinsatz 58, eine Kathode 60 und einen Rotor 62. Die Anode 56 beinhaltet ein Target 57, das ein Targetmaterial 86 aufweist, und an dem eine Targetwelle 59 angebracht ist.
Die Kathode 60 enthält gewöhnlich eine oder mehrere Glühdrähte 55. Die Kathodenglühdrähte 55 werden über elektrische Anschlussleitungen 71, die durch eine in dem Vakuumbereich 54 angeordnete zentrale Säule 68 hindurch geführt sind, mit Strom versorgt. Im Betrieb wird an den gewünschten Glühdraht 55 über elektrische Kontakte 77 eine elektrische Spannung angelegt, um den Glühdraht 55 zu erwärmen, so dass Elektronen aus diesem emittiert werden können. Ein elektrisches Hochspannungspotential wird zwischen der Anode 56 und der Kathode 60 angelegt, und die dazwischen vorhandene Spannungsdifferenz ruft einen Elektronenstrahl hervor, der von der Kathode 60 durch den Vakuumbereich 54 zu der Anode 56 strömt. Als Folge hiervon entsteht in dem Vakuumbereich 54 ein elektrisches Feld.
Die zentrale Säule 68 ist gewöhnlich im Zentrum eines einen Innenumfang 85 und einen Außenumfang 87 aufweisenden Isolators 73 angeordnet und daran befestigt. Die elektrischen Anschlussleitungen 71 sind mit den an der Außenseite der Röntgenröhre 12 angeordneten elektrischen Kontakten 77 verbunden. Der Isolator 73 ist gewöhnlich basierend auf Tonerde oder sonstigen Keramikmaterialien, beispielsweise Steatit oder Aluminiumnitrid, hergestellt. Um die Spannungsstabilität zu steigern, ist auf dem Isolator 73 eine Beschichtung 88 aufgebracht.
3 zeigt in einer Schnittansicht eines Abschnitts von 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es beispielsweise, auf die Röntgenröhre 12 von 2 angewendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist an einer Überschneidung zwischen dem Innenumfang 85 des Isolators 73, der zentrale Säule 68 und dem Vakuumbereich 54 eine Dreipunktkontaktstelle 96 vorhanden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert die Beschichtung 88 auf einer ersten antiferroelektrischen (AFE) Beschichtung 94, die bei der Kontaktstelle 96 um deren gesamten Umfang aufgebracht ist und sich längs einer Oberfläche 90 des Isolators 73 zu einer Begrenzung 99 erstreckt. Die Beschichtung 88 beinhaltet ferner eine zweite AFE-Beschichtung 95, die auf der Oberfläche 90 mit einem Abstand zu der Dreipunktkontaktstelle 96 beginnend an der Begrenzung 99 aufgetragen ist und sich zu einem Außenumfang 87 erstreckt. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können die beiden Beschichtungen 94, 95 weniger als den gesamten Abschnitt der dem Vakuumbereich 54 ausgesetzten Isolatoroberfläche 90 bedecken. Der Fachmann wird erkennen, dass die Dicke der Beschichtung 88 bezüglich der in 2 und 3 dargestellten Dicke des Isolators 73 übertrieben dargestellt ist, um die Struktur der Beschichtung 88 zu zeigen, wie sie auf dem Isolator 73 aufgetragen ist. Wie in Betracht gezogen und wie aus den nachfolgenden Einzelheiten klar hervorgeht, ist die Stärke der AFE-Beschichtung relativ zu der Isolatordicke geringer als in 2 und 3 dargestellt.
4 veranschaulicht anhand einer Querschnittsansicht einer Vakuumröhre aus dem Stand der Technik elektrische Kraftfeldlinien, die einen Abschnitt eines Vakuumröhrenisolators durchqueren, der keine AFE-Beschichtung aufweist. 4 zeigt eine zentrale Säule 168 und einen Isolator 173, der sich in einer (nicht gezeigten) Vakuumröhre oder Röntgenröhre verwenden lässt. Ein in einem Vakuumbereich 154 erzeugtes elektrisches Feld 100 ist durch mehrere elektrische Kraftfeldlinien 102 repräsentiert. Das Ausführungsbeispiel enthält ferner eine Isolatoroberfläche 110 und eine zentrale Säule 168, die einen Begrenzungsbereich des Vakuumbereichs 154 definieren. Ein typischer Isolator 173 ist mit einer Geometrie ausgebildet, wie sie z. B. in 4 dargestellt ist, um das elektrische Feld 100 an einer üblicherweise als eine Dreipunktkontaktstelle 106 bezeichneten Metall-Dielektrikum-Vakuum-Kontaktstelle zu schwächen, die in diesem Fall, an der Kontaktstelle zwischen dem Isolator 173, der zentralen Säule 168 und dem Vakuumbereich 154 angeordnet ist. Allerdings ist der Schwächungseffekt, wie durch die gleichmäßig beabstandeten Feldlinien 102 angedeutet, beschränkt. Die Anwesenheit von Defekten auf der Isolatoroberfläche 180 in der Nähe der Dreipunktkontaktstelle 106 der Kathode in Verbindung mit der Anwesenheit von Mikrovorsprüngen auf der zentralen Säule 168 in der Nähe der Drei punktkontaktstelle 106 der Kathode, verstärkt das Feld an der Dreipunktkontaktstelle 106 und kann eine von der Kontaktstelle 106 ausgehende Feldemission von Elektronen hervorrufen, die aufgrund des an der Isolatoroberfläche 110 vorhandenen elektrischen Felds 100 kinetische Energie gewinnen, so dass die Elektronen dazu veranlasst werden, längs der Isolatoroberfläche 110 zu kaskadieren. Hohe kinetische Energie aufweisende Elektronen können auf die Isolatoroberfläche 110 auftreffen und durch eine Sekundärelektronenemissionslawine weitere Elektronen hervorbringen. Die Kombination von Feldemission und Sekundärelektronenemission kann zu einem Isolatoroberflächenfunkenüberschlag führen, einem Zustand, der durch eine elektrische Lichtbogenbildung längs der Isolatoroberfläche 110 gekennzeichnet ist.
Mindestens zwei hauptsächliche Faktoren sind für das mögliche Auftreten einer Sekundärelektronenemission längs einer Isolatoroberfläche maßgebend. Ein Faktor ist das Isolatormaterial, während ein weiterer Faktor die Zahl und Schwere von auf dem Isolator vorhandenen Oberflächendefekten kennzeichnet. Wie im obigen erläutert können Oberflächenverunreinigungen, freiliegende Poren oder Blasen, Schäden aufgrund einer spanabhebenden Bearbeitung und schwache Korngrenzen das Ausmaß von Sekundärelektronenemission in Isolatoren in Röntgenröhren steigern.
Die Wahrscheinlichkeit eines Oberflächenfunkenüberschlags kann gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung reduziert werden, indem die Elektronenemission an Dreipunktkontaktstellen reduziert wird, und indem mittels eines AFE-Materials die Wahrscheinlichkeit einer Sekundärelektronenemission verringert wird, die von den darin vorhandenen Oberflächen ausgeht. Ein gewöhnlich auf Keramik basierendes AFE-Material weist eine spannungsabhängige Dielektrizitätskonstante auf, die in Abhän gigkeit von der Formulierung entweder zu einer Steigerung oder zu einer Verringerung der Dielektrizitätskonstanten führen kann. Formulierungen von AFE-Materialien gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind weiter unten beschrieben. Die Wahl eines AFE-Materials, dessen Dielektrizitätskonstante mit ansteigender Spannung wächst, wird bei hoher Spannung das elektrische Feld in das Grundmaterial des Isolators drängen. Eine in dieser Weise hervorgerufene Vergrößerung der Abmessung des elektrischen Felds reduziert die lokale Intensität des Felds an der Oberfläche, was eine Verringerung der Sekundärelektronenemission zur Folge hat. Im Gegensatz dazu wird ein AFE-Material, dessen Dielektrizitätskonstante mit ansteigender Spannung abnimmt, das elektrische Feld bei hoher Spannung aus dem Grundmaterial des Isolators herausdrängen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten eine nicht lineare Keramikbeschichtung, die AFE-Partikel mit einer durchschnittlichen Abmessung von fünf bis zehn Nanometer aufweist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Beschichtung, bei der die mittlere Abmessung der AFE-Partikel zwischen 50 und 500 Nanometer liegt. Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel enthält die Beschichtung AFE-Partikel mit einer Größe im Bereich von 100 bis 400 Nanometer. Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Beschichtung mit AFE-Partikelgrößen von 10 bis 1000 Nanometer.
Unter Bezugnahme auf 5 veranschaulicht ein Graph für ein typisches antiferroelektrisches (AFE) Material eine nicht lineare Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstanten und dem elektrischen Feld. Gezeigt ist eine nicht lineare Beziehung zwischen einer auf der y-Achse 200 abgetragenen Dielektrizitätskonstanten und einem auf der x-Achse 205 abgetragenen elektrischen Feld für ein typisches AFE-Material. Der scharfe Scheitelpunkt 210 der Dielektrizitätskonstanten deutet auf die Stärke des elektrischen Felds hin, die erforderlich ist, um einen Übergang von einem niedrigen dielektrischen Zustand zu einem hohen dielektrische Zustand zu bewirken. In Ausführungsbeispielen der Erfindung sind AFE-Materialien selektiv so eingerichtet, dass die AFE-Partikel einen Übergang von einem antiferroelektrischen Zustand (mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten) zu einem ferroelektrischen Zustand (mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten) erfahren, wenn sie in Abhängigkeit von der Anwendung einem elektrischen Vorspannungsfeld von etwa 1, 5, 10 und 100 kV pro Millimeter ausgesetzt werden. Desgleichen kann in Ausführungsbeispielen der Erfindung die nach dem Übergang vorhandene Dielektrizitätskonstante der AFE-Beschichtung selektiv so eingerichtet sein, dass sie um etwa 50%, 100% und 500% größer ist als die vor dem Übergang vorhandene Dielektrizitätskonstante. In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann eine Polarisationssättigung, nachdem der Phasenübergang von dem antiferroelektrischen in den ferroelektrischen Zustand einmal überschritten ist, dazu führen, dass die Dielektrizitätskonstante der AFE-Beschichtung abnimmt. Dementsprechend beträgt die Verringerung der Dielektrizitätskonstanten bei einem Phasenübergang der AFE-Beschichtung aufgrund von Polarisatiossättigung in Ausführungsbeispielen der Erfindung etwa 50%, 100% und 500%.
AFE-Materialien, die sich für den Einsatz der Beschichtung von Röntgenröhrenisolatoren eignen können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Bleizirkonat (PbZrO₃), Bleizirkonattitanat (Pb(Zr_yTi_1-y)O₃), Bleihafnat (PbHfO₃), Natriumniobat (NaNbO3) und mittels Lanthan modifiziertes Bleizirkonat (Pb_1-xLa_xZrO₃), wobei x im Bereich von Null bis etwa Eins liegen kann. Ein weiteres geeignetes AFE-Material beinhaltet mittels Lanthan modifiziertes Bleizirkonattitanat (Pb_1-xLa_x(Zr_yTi_1-y)O₃) (PLZT), wobei x und y im Bereich von Null bis etwa Eins liegen können und voneinander unabhängig sind. Ein weiteres geeignetes AFE-Material beinhaltet mittels Lanthan modifiziertes Bleizirkonattitanatstannat Pb_1-xLa_x(Zr_yTi_1-y-zSn_z)_1-x/4O₃ (PLZST), wobei x, y und z im Bereich von Null bis etwa Eins liegen können und voneinander unabhängig sind. Außerdem kann das Lanthan in den oben erwähnten Materialien durch Niob ersetzt werden, um eine größere Anzahl von AFE-Materialien hervorzubringen, die sich für den Einsatz als Isolatorbeschichtung eignen.
AFE-Beschichtungen können mittels vielfältiger Techniken aufgebracht werden, beispielsweise durch chemisches Aufdampfen, physikalische Dampfabscheidung, Sol-Gel-Tauchbeschichtung, thermisches Plasmaspritzen und Pinselauftragung. Um die Zykluszeit für das Auftragen einer Beschichtung zu verringern, können die Beschichtungen im Allgemeinen bei Temperaturen unterhalb von 600°C in einem Ofen getrocknet werden.
6 zeigt in einer Schnittansicht elektrische Kraftfeldlinien, die einen Vakuumbereich 354 und einen Abschnitt eines Vakuumröhrenisolators 373 durchqueren, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine AFE-Beschichtung aufweist. 6 zeigt eine Dreipunktkontaktstelle 306 an der Überschneidung des Isolators 373, des Vakuumbereichs 354 und einer zentralen Säule 368. Der Isolator 373 weist eine erste AFE-Beschichtung 314 mit einer Dielektrizitätskonstanten auf, die mit steigender Spannung wächst. Die Erste AFE-Beschichtung 314 wird in Verbindung mit einer zweiten AFE-Beschichtung 318 verwendet, deren Dielektrizitätskonstante mit steigender Spannung abnimmt. Zwischen der ersten und zweiten Beschichtung 314, 318 ist eine Begrenzung 316 angeordnet. Die Wirkung der ersten Beschichtung 314, die auf einer Isolatoroberfläche 310 an der Dreipunktkontaktstelle 306 aufgetragen ist und sich zu der Begrenzung 316 erstreckt, basiert darauf, dass die Fluss dichte des elektrischen Felds an der Dreipunktkontaktstelle 306 reduziert ist, wie durch den sich erweiternden Abstand zwischen einem Satz von Äquipotentiallinien 302 angedeutet ist. Die Wirkung der zweiten Beschichtung 318, die an der Begrenzung 116 aufgetragen ist und sich zu einem Außenumfang 387 erstreckt, dient dazu, die Flussdichte in einem Abstand von der Dreipunktkontaktstelle 306 zu steigern, wie es durch den abnehmenden Abstand zwischen Äquipotentiallinien 302 veranschaulicht ist, die sich in größerer Entfernung von der Dreipunktkontaktstelle 306 befinden.
Eine geringere Flussdichte des elektrischen Felds an der Dreipunktkontaktstelle 306 kann eine von dieser ausgehende Elektronenfeldemission reduzieren und kann die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenfunkenüberschlag verringern. Die AFE-Beschichtungen 314, 318 können außerdem das Auftreten von Sekundärelektronenemission dadurch reduzieren, das Unvollkommenheiten in der Isolatoroberfläche 310 gefüllt und bedeckt werden. Die Folgen von Oberflächenschäden, die auf spanabhebende Bearbeitung, Oberflächenverunreinigung und in dem Material vorhandene freiliegende Poren zurückzuführen sind, können eliminiert werden, indem eine AFE-Beschichtung aufgebracht wird, die eine ebenmäßige Schicht auf der Isolatoroberfläche erzeugt, so dass die Oberflächenrauhigkeit verringert ist.
Eine keramische AFE-Beschichtung mit Nanokeramikpartikeln kann im Ergebnis eine größere Reduzierung von Sekundärelektronenemission bieten als eine Beschichtung, die AFE-Partikel mit relativ großen Abmessungen verwendet. Nanokeramikpartikel, die gewöhnlich kleiner als 100 Nanometer sind, eignen sich besser dazu, kleine freiliegende Poren oder mikroskopische Oberflächendefekte zur Erzeugung einer glatten Oberfläche auszufüllen. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung von Nanokeramikpartikeln eine Verringerung der Beschichtungsstärken, die mit der Verringerung der Größe der Partikel in Einklang steht, was einen effizienteren Einsatz von Beschichtungsmaterialien ermöglicht. Mit nochmaligem Bezug auf 6 beträgt eine AFE-Beschichtungsstärke 320 in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 100 Nanometer. Allerdings können Dicken 320 der Beschichtungen 314, 318 in Ausführungsbeispielen der Erfindung im Bereich von etwa 100 Nanometer bis 50 μm liegen.
Unter Bezugnahme auf 7 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Querschnitt des Isolators 73 und der Beschichtung 88 von 2 und 3 mit einer zusätzlichen Halbleiterbeschichtung 226 gezeigt. Elektronen in einer Halbleiterbeschichtung 226 weisen eine höhere Mobilität auf als diejenigen in einer AFE-Beschichtung 88, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Anhäufung örtlicher Ladungen auf einer Oberfläche 228 der Halbleiterbeschichtung 226 während des Betriebs der Röntgenröhre reduziert ist. Die in diese Weise ausgeglichenen Oberflächenladungen reduzieren die Spannung des elektrischen Feldes an der Halbleiterbeschichtungsoberfläche 228 und vermindern dadurch die Entstehung von Sekundärelektronenemission. Somit lässt sich die Wahrscheinlichkeit von Sekundärelektronenemission mittels des Auftragens der Halbleiterbeschichtung 226 über der AFE-Beschichtung 88 weiter reduzieren. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Halbleiterbeschichtung 226 zur Beschichtung eines Isolators 73, der bereits eine erste AFE-Beschichtung 88 aufweist, Chromoxid (Cr2O3), Zinkoxid (ZnO) und/oder Siliziumkarbid (SiC). In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann die Halbleiterbeschichtung 226 auf Si (Silizium), Al₂O₃-Cr₂O₃ (einer Mischung von Aluminiumoxid und Chromoxid), (La, Co)CrO₃, (Sr, Ca)RuO₂, La(Fe, Al)O₃ und Bi_1,5ZnSb_1,5O₇ basieren. Darüber hinaus wird ein Fachmann erkennen, dass die Halbleiterbeschichtung 226 über mehrere AFE-Beschichtungen aufgetragen sein kann, z. B. über den in 3 veranschaulichten Beschichtungen 94, 95.
8 zeigt eine anschauliche Ansicht eines CT-Systems für den Einsatz in einem nicht invasiven Paket-/Gepäck-Inspizierungssystem. Ein Paket/Gepäck-Inspizierungssystem 500 weist eine drehbare Gantry 502 mit einer darin vorgesehenen Öffnung 504 auf, durch die Pakete oder Gepäckstücke geleitet werden können. Die drehbare Gantry 502 beherbergt eine elektromagnetische Energiequelle hoher Frequenz 506 sowie eine Detektoranordnung 508 mit Szintillatormatrices, die auf Szintillatorzellen basieren. Ferner ist ein Förderbandsystem 510 vorgesehen, das ein Förderband 512 enthält, das von einem Aufbau 514 getragen wird, um zu scannende Pakete oder Gepäckstücke 516 automatisch und fortlaufend durch die Öffnung 504 zu transportieren. Die Objekte 516 werden mittels des Förderbands 512 durch die Öffnung 504 geführt. Sodann werden Bildgebungsdaten gewonnen, und das Förderband 512 befördert die Pakete 516 danach in einer gesteuerten und kontinuierlichen Weise wieder aus der Öffnung 504. Auf diese Weise ist es Postkontrolleuren, Gepäckabfertigungspersonal und sonstigem Sicherheitspersonal möglich, den Inhalt von Paketen 516 ohne ein invasives Eingreifen auf Explosivstoffe, Messer, Waffen, Schmuggelware, etc. zu kontrollieren.
Während die Konstruktion von Elektronenröhren vielfältige strukturelle Formen der Ausführung umfassen können, stimmen die zugrundeliegenden Prinzipien des Betriebs im Wesentlichen überein, so dass ein Fachmann verstehen wird, dass der Schutzumfang der Erfindung sowohl eine Anwendung auf Elektronenröhren im Allgemeinen als auch auf die hier beschriebenen Röntgenröhren umfasst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert ein Isolator für eine Vakuumröhre auf einem elektrisch isolieren den Grundmaterial und einer ersten antiferroelektrischen Beschichtung, die auf einem ersten Abschnitt des Grundmaterials aufgetragen ist.
Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Isolators für eine Vakuumröhre die Schritte des Bereitstellens eines elektrisch isolierenden Grundmaterials und des Auftragens einer ersten antiferroelektrischen Beschichtung auf eine erste Oberfläche des Grundmaterials.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet eine Röntgenröhrenvorrichtung mit einer Kathode, einer Anode und einem Isolator, der auf einem keramischen Grundmaterial basiert, das eine erste Oberfläche und eine zusammenhängende zweite Oberfläche aufweist. Die Anordnung umfasst ferner eine auf der ersten Oberfläche aufgetragene erste Nanokeramikbeschichtung, die eine feldabhängige erste Dielektrizitätskonstante aufweist.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu offenbaren, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.

Offenbart ist eine Isolator für eine Vakuumröhre 12, der eine elektrisch isolierendes Grundmaterial 73 und eine erste antiferroelektrische Beschichtung 88, 94 aufweist, die auf einen ersten Abschnitt 90, 96, 99 des Grundmaterials 73 aufgetragen ist. Bezugszeichenliste:

10	Bildgebungssystem
12	Röntgenröhre oder -quelle
14	Röntgenstrahlenbündel
16	Objekt
30	ein Energiespektrum, gewöhnlich im Bereich von
18	Detektor
20	Prozessor
22	Computer
24	die Bedienungskonsole verwendende Bedienperson
26	Anzeigeeinheit
28	Speichervorrichtung
50	Rahmen
52	Strahlungsemissionsdurchlass
54	Kapsel oder Vakuumbereich
55	Glühdrähte
56	Anode
57	Target
58	Lagereinsatz
59	Targetwelle
60	Kathode
62	Rotor
68	zentrale Säule
71	elektrische Anschlussleitungen
73	Isolator
77	elektrische Kontakte
85	Innenumfang
86	Targetmaterial
87	Außenumfang
88	Beschichtung
90	Oberfläche
94	erste antiferroelektrische (AFE) Beschichtung
95	zweite AFE-Beschichtung
96	Dreipunktkontaktstelle
99	Begrenzung
100	elektrisches Feld
102	Anzahl von elektrischen Feldlinien
106	Dreipunktkontaktstelle
110	Isolatoroberfläche
116	Begrenzung
154	Vakuumbereich
168	zentrale Säule
173	Isolator
180	Isolatoroberfläche
200	y-Achse
205	x-Achse
210	typisches AFE-Material. Der scharfe Scheitelpunkt
226	zusätzliche Halbleiterbeschichtung
228	Oberfläche
302	Satz von Äquipotentiallinien
306	Dreipunktkontaktstelle
310	Isolatoroberfläche
314	erste AFE-Beschichtung
316	Begrenzung
318	zweite AFE-Beschichtung
320	AFE-Beschichtungsstärke
354	Vakuumbereich
368	zentrale Säule
373	Vakuumröhrenisolator
387	Außenumfang
502	drehbare Gantry
504	drehbare Gantry 502 mit einer Öffnung
506	elektromagnetische Energiequelle hoher Frequenz
508	Detektoranordnung
510	Förderbandsystem
512	Förderband
514	durch Konstruktion getragenes Förderband 512
516	Pakete oder Gepäckstücke

Claims

Isolator für eine Vakuumröhre (12), umfassend: ein elektrisch isolierendes Grundmaterial (73); und eine erste antiferroelektrische Beschichtung (88, 94), die auf einem ersten Abschnitt (90, 96, 99) des Grundmaterials (73) aufgetragen ist.
Isolator nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung (88, 94) eine erste Dielektrizitätskonstante aufweist, die in Abhängigkeit von einem angewendeten elektrischen Feld nichtlinear variiert.
Isolator nach Anspruch 2, zu dem ferner eine zweite antiferroelektrische Beschichtung (88, 95) gehört, die auf einen zweiten Abschnitt (90, 99, 87) des Grundmaterials (73) aufgetragen ist, wobei die zweite Beschichtung (88, 95) eine zweite Dielektrizitätskonstante aufweist, die in Abhängigkeit von einem angewendeten elektrischen Feld nichtlinear variiert, wobei die zweite Dielektrizitätskonstante in einem Bereich des angewendeten elektrischen Felds im umgekehrten Verhältnis zu der ersten Dielektrizitätskonstante variiert.
Isolator nach Anspruch 3, zu dem ferner eine Halbleiterbeschichtung (226) gehört, die über der ersten und zweiten Beschichtung (88, 94, 95) aufgetragen ist.
Isolator nach Anspruch 4, wobei das Halbleiterbeschichtungsmaterial (226) Cr₂O₃, eine Al₂O₃-Cr₂O₃-Mischung, (La, Co)CrO₃, (Sr, Ca)RuO₂, La(Fe, Al)O₃, Bi_1,5ZnSb_1,5O₇, ZnO, SiC und/oder Si enthält.
Isolator nach Anspruch 1, wobei das erste Beschichtungsmaterial (88, 94) antiferroelektrische Partikel enthält, die Bleizirkonat, Natriumniobat, Bleizirkonat Titanat, mittels Lanthan modifiziertem Bleizirkonattitanat, Bleihafnat und/oder mittels Lanthan modifiziertem Bleizirkonattitanatstannat umfassen.
Isolator nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung (88, 94) antiferroelektrische Partikel enthält, wobei die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 5 Nanometer bis 1000 Nanometer aufweisen.
Isolator nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung (88, 94) dazu eingerichtet ist, einen Phasenübergang zu erfahren, wenn sie einem elektrischem Vorspannungsfeld ausgesetzt wird, mit der Folge einer Steigerung von 50% bis 500% der Dielektrizitätskonstanten der ersten Beschichtung.
Isolator nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung (88, 94) dazu eingerichtet ist, einen Phasenübergang zu erfahren, wenn sie einem elektrischen Vorspannungsfeld ausgesetzt wird, mit der Folge einer Verringerung der Dielektrizitätskonstanten der ersten Beschichtung von 50% bis 500%
Isolator nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung (88, 94) dazu eingerichtet ist, einen Phasenübergang von einem Zustand einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten zu einem Zustand hoher Dielektrizitätskonstante zu erfahren, wenn sie einem elektrischen Feld im Bereich von einem Kilovolt pro Millimeter bis zu 100 kV pro Meter ausgesetzt wird.