DE102010027871B4

DE102010027871B4 - Ringkathodensegment mit Nanostruktur als Elektronenemitter

Info

Publication number: DE102010027871B4
Application number: DE102010027871A
Authority: DE
Inventors: Dr. Feucht Hans-Dieter; Dr. Fürst Jens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2030-04-17
Also published as: CN102222594A; DE102010027871A1

Abstract

Ringkathodensegment welches eine Vielzahl von Emitterpositionen (E1, E2) auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: – es auf einem nicht-leitenden, als Ringsegment ausgebildeten Träger (T), an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) eine leitfähige Klebschicht (K) mit einer ebenen Oberfläche aufweist, und – je eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen (NT) an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) auf den Klebschichten (K) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ringkathodensegment, insbesondere zur Verwendung für ein CT-System, welches eine Vielzahl von Emitterpositionen auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst und leitende Nanostrukturen als Elektronenmitter aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Röntgenröhre aus Ringkathodensegmenten und auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ringkathodensegments.
Grundsätzlich sind als Nanostruktur ausgebildete Elektronenmitter beziehungsweise Feldemitter in Verbindung mit Röntgenröhren allgemein bekannt. Solche Nanostrukturen verfügen zur Oberfläche hin über spitze Strukturen, an denen sich durch eine angelegte Beschleunigungsspannung sehr hohe Feldstärken ausbilden, wodurch der Austritt von Elektronen stark begünstigt wird. Diesbezüglich wird auf die Druckschrift Haeyoung Chou and Jong UK Kim, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 963, 2007, ”Improvement of Emission Current by Using CNT Based X-Ray Tube”, verwiesen. In dieser Druckschrift wird zum Beispiel in der 2 der grundsätzliche Aufbau einer Röntgenröhre gezeigt, bei der ein mit CNTs (= Carbon Nano Tubes = Kohlenstoff-Nano-Röhrchen), also einer Nanostruktur, belegtes Metallplättchen als Elektronenmitter fungiert und mit Hilfe einer elektrischen Fokussierungslinse einen punktförmigen Fokus auf einer Anode erzeugt, der zur Abbildung von Leiterplatten verwendet werden kann.
Auch das Handwerkszeug zur Herstellung von Kohlenstoff-Nano-Röhrchen auf metallischen Oberflächen ist allgemein bekannt. Lediglich beispielhaft wird auf die Druckschrift von Beom-Jin Yoon, et al., J. AM. CHEM. SOC 2005, 127, 8234–8235, „Fabrication of Flexible Carbon Nanotube Field Emitter Arrays by Direct Mircrowave Irradiation an Organic Polymer Substrate” hingewiesen.
Ebenso sind im Bereich der Computertomographie so genannte Ringröhren bekannt, die durch Laser getriggert oder durch elektronische Schaltungen gesteuert an bestimmten Positionen auf dem Umfang der Röntgenröhre Röntgenstrahlung emittieren und damit eine mechanisch umlaufende Röntgenröhre auf einer rotierenden Gantry ersetzen. Einen wesentlichen Teil dieser Röntgenröhren stellen die Elektronenmitter dar, die bei entsprechend angelegter Beschleunigungsspannung Elektronen auf die Anode emittieren. Hierbei ist bisher bekannt, dass bei der Herstellung solcher Ringröhren Kathodensegmente dadurch hergestellt werden, dass zunächst einzelne Feldemitter auf jeweils einem Substrat, in der Regel ein Metallplättchen, angefertigt werden und dann eine Vielzahl solcher Feldemitter auf einem elektrisch isolierenden Kathodensegment montiert und in die Röntgenröhre eingebaut werden.
Problematisch hierbei ist, dass für jedes CT-System ca. 1000 Emitter benötigt werden, so dass eine Serienfertigung durch diese Vielzahl von einzeln anzubringenden Emitter zu aufwendig wäre, insbesondere da die einzelnen Emittersubstrate hoch präzise bezüglich ihrer Ausrichtung anzubringen sind.
Im Prüfungsverfahren wurde ergänzend der folgende Stand der Technik ermittelt:
DE 102008034584 A1 : Diese Offenlegungsschrift zeigt ein Röntgen-CT mit um die Systemachse drehbarem Fokus und entgegengesetzt drehendem Anodenring.
DE 102007035177 A1 : Diese Offenlegungsschrift zeigt Varianten eines Röntgen-CTs mit jeweils einem Anodenring und einem Kathodenring, wobei die lokale Aktivierung der Elektronenemission durch einen Laser oder einen Positionsgeber erfolgt.
US 2008/0116416 A1 : Diese Offenlegungsschrift beschreibt einen Klebstoff.
US 2010/0075225 A1 : Diese Offenlegungsschrift zeigt eine Nanokomposit-Elektrode und ein Verfahren zur Herstellung solcher Elektroden.
EMMENEGGER, C. et al.: Carbon nanotube synthesized an metallic substrates. In.: Applied Surface Science 162–163, 2000, S. 452–456. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen-Filmen durch ein Pyrolyseverfahren mit Aluminium und Silizium als Substrat. Es wird erwähnt, dass die auf Aluminium liegenden Nanoröhrchen ausgezeichnete Eigenschaften als Elektrodenmaterial in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren aufweisen.
SUGIE, H. et al.: Carbon nanotubes as electron source in an x-ray tube. In: Applied Physics Letters 78, 2001, S. 2578–2580. In dieser Schrift wird gezeigt, dass Feldemitter aus ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen als primäre Elektronenquelle in einer Röntgenröhre geeignet sind und auch in einer Nicht-Ultrahoch-Vakuumumgebung betrieben werden können.
YUE, G. et al.: Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray radiation using a carbon-nanotube-based field-emission cathode. In: Applied Physics Letters 81, 2002, S. 355–357. Diese Arbeit beschreibt, dass die medizinische diagnostische Röntgenstrahlung unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) auf einer Feldemissionskathode erzeugt werden kann, wobei eine 14 kV Röntgenröhre mit einer Leistung von 180 mAs gezeigt wird.
Die Patentschrift US 6,057,637 beschreibt eine Feldemissionselektronenquelle mit einer Oberfläche aus Nanoröhrchen und deren Herstellungsverfahren. Es wird eine Feldemissionselektronenquelle mit Elektronenströmen bis zu 400 mA/cm² bei 200 Volt beschrieben.
YANAGI, H. et al.: Carbon Nanotube/Aluminium Composites As a Novel Field Electron Emitter. In: Jap, J. of Applied Physics 45, 2006, S. L650–L653. Diese Schrift beschreibt ein weiteres Herstellungsverfahren einer Emitterelektrode mit Kohlenstoffnanoröhrchen auf einer Aluminium-Matrix.
Wang; C. et al.: Flexible field emitter of carbon nanotubes microwave welded onto polymer substrates. In: Applied Physics Letters 90, 2007, S. 103111. Diese Schrift beschreibt eine flexible Feldemitterelektrode mit Kohlenstoffnanoröhrchen, die mit Hilfe einer Mikrowellenstrahlung auf einem Polymersubstrat aufgebracht werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach herstellbares Ringkathodensegment für eine Ringkathode und eine damit aufgebaute Ringröntgenröhre zu finden. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein einfaches Verfahren zur Herstellung des zuvor genannten Ringkathodensegmentes zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass es wesentlich günstiger und produktionstechnisch effektiver durchzuführen ist, wenn auf einem nicht-leitenden Ringsegment als Träger unmittelbar an den Positionen, an denen später Elektronen emittiert werden sollen, mit Hilfe einer entsprechenden Dispensiervorrichtung eine leitfähige Klebschicht aufgebracht wird, die eine zum Mittelpunkt des Ringkathodensegmentes gerichtete ebene Oberfläche aufweist und darauf eine Schicht mit Kohlenstoff-Nano-Röhrchen erzeugt wird.
Entsprechend der Idee der Erfinder kann diese metallische Substratschicht direkt auf den nicht-leitenden Träger mit Hilfe einer Druck-/Volumen-Dispensierung eines mittel- bis hochviskosen Edelmetallleitklebers, vorzugsweise eines Silberleitklebers, geschehen. Die Dimensionierung des metallischen Substrats, bezuglich Breite, Hohe, Form und Größe des Querschnitts, wird dabei durch die Beschichtungsparameter Schreibgeschwindigkeit, Dosierdruck, Arbeitsabstand und gegebenenfalls Anstellwinkel der Dosiernadel sowie der Verarbeitungsviskosität und Thixotropie des Leitklebers gesteuert. Die Form des Querschnitts kann zusätzlich durch die Form der Nadelöffnung gesteuert werden. So fuhrt zum Beispiel die Verwendung einer ovalen Nadel zu einer Abflachung des Querschnittes. Reicht dies für die Erzeugung einer zum Träger koplanaren Substratoberflache nicht aus, so kann die Oberfläche zusatzlich durch die Behandlung mit einem Pinsel oder mit einem Rakelplättchen geglättet werden. Diese Nachbehandlungswerkzeuge konnen in den verwendeten Dispensierkopf der Dispensiervorrichtung integriert werden und somit mit der gleichen Präzision gefahren werden, wie der eigentliche Schreibvorgang. Grundsatzlich sind solche Dispensiervorrichtungen allgemein bekannt. Dabei handelt es sich um eine robotergesteuerte Dispensiernadel, die mit einer ebenfalls elektronisch gesteuerten Dispensiervorrichtung für den Klebstoff versehen ist. Nach dem Schreibvorgang und einer gegebenenfalls durchgefuhrten Glättung konnen die Schichten durch eine zusatzliche thermische Behandlung nochmals geglättet und durch einen weiteren thermischen Curingschritt fixiert werden. Hierbei bewirkt eine erste Temperaturerhöhung der Kleberschicht eine Reduktion der Viskosität des Klebers, wodurch kleine Unebenheiten verlaufen und sich damit egalisieren. Anschließend wird durch eine weitere Erhohung der Temperatur eine Aushärtung des Klebstoffes bewirkt.
Neben der Herstellung einer ebenen metallischen Substratschicht fur das spatere Aufbringen der Nanostruktur, insbesondere einer CNT-Schicht, kann das gleiche Aufbringungsverfahren auch zur Herstellung von Kontaktierungen der metallischen Substratschicht mit einer fur den Betrieb der Röntgenkathode notwendiger Elektronik in Verbindung mit dem gleichen aufgebrachten Material zur Anwendung kommen. Gegebenenfalls konnen dabei die Liniendimensionen gegenüber der Substratdimension minimiert werden. Dies kann beispielsweise durch einen Wechsel der Dispensiernadel geschehen oder auch durch einer Veränderung der Dosier- und Vorschubgeschwindigkeit der Nadel. Vorteilhaft hierbei ist, dass damit in einem einzigen Arbeitsgang sowohl die metallische Substratschicht als auch die Kontaktierung hergestellt wird, wobei es nun auch moglich ist, dreidimensionale Kontaktierungslinien zu schreiben. Das heißt, es ist auch moglich, die Kontaktierungslinien auf der Seite beziehungsweise der Rückseite des Tragers zu schreiben, so dass eine entsprechende Raumoptimierung möglich ist.
Zum Schutz der Kontaktierungslinie ist es auch möglich, den Bereich der Kontaktierungslinien zusätzlich mit einem isolierenden Überzug zu versehen. Beispielsweise konnen hierzu ebenfalls solche Dispensiervorrichtungen verwendet werden, indem die Kontaktierungslinien mit einem als Isolator wirkenden Klebstoff oder Lack nachgeschrieben und damit mit diesen Materialien uberzogen werden.
Die Aufbringung der Nanostruktur, zum Beispiel einer CNT-Schicht, kann danach durch allgemein bekannte Methoden geschehen. Auf den bereits angefuhrten Literaturhinweis wird verwiesen.
Erganzend ist es auch möglich, mit Hilfe des oben beschriebenen Aufbringungsverfahrens von leitendem Klebstoff auch eine Fixierung von Extraktionsgittern uber dem metallischen Substrat und der darauf liegenden Nanostruktur durchzuführen. Dabei kann es notwendig werden, die Verbindungspunkte beziehungsweise Verbindungslinien in mehreren Auftragsschritten mit jeweils kurzer Beschichtungspause aufzutragen. Beispielsweise kann es dabei aus Kosteneinsparungsgrunden beim Materialverbrauch zweckmäßig sein, im Wesentlichen einen elektrisch isolierenden Klebstoff zur Fixierung des Gitters zu verwenden und nur wenige elektrische leitfahige Fixierungspunkte zwischen Gitter und einer fur das Gitter vorhandenen Kontaktierungslinie auf dem Träger zu setzen. Bei der Fixierung des Gitters kann es vorteilhaft sein, einen oder mehrere entfernbare Abstandshalter einzusetzen, um eine stets gleiche Distanz zwischen der CNT-Schicht und dem Extraktionsgitter zu erreichen. Alternativ kann hierzu auch das Extraktionsgitter auf erhohte Kontaktpunkte angepresst werden, bis der zuvor definierte Abstand erreicht wird. Hierzu kann es vorteilhaft sein, einen zur elektrisch leitenden Substratschicht koplanaren Druckstempel zu verwenden, der gegebenenfalls in einen Roboterarm der Dispensiervorrichtung mit integriert sein kann.
Vorteilhafterweise können die oben beschriebenen Herstellungsvorgänge unter ständiger optischer In-Line-Kontrolle durchgeführt werden, um eine ständige Prozesskontrolle und Qualitätssicherung zu gewahrleisten. Eine im Herstellungsverfahren notwendige exakte Ausrichtung der Trager kann beispielsweise mit Hilfe eines integrierten Bilderkennungssystems erfolgen. Die korrekte Einstellung des Arbeitsstandes der Dispensiervorrichtung kann durch ein integriertes Lasertriangulationssystem realisiert werden.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren beziehungsweise dem so hergestellten Ringkathodensegment ist es also besonders vorteilhaft, dass der Aufbau dieses Ringkathodensegmentes in nur zwei Produktionsschritten erfolgen kann. Einem ersten Produktionsschritt, bei dem gemeinsam das Metallsubstrat einschließlich der Leiterbahnen auf den Trager aufgebracht werden, und anschließend in einem weiteren Produktionsschritt, in dem die gemeinsame und gleichzeitige Aufbringung von leitenden Nanostrukturen, beispielsweise CNTs, auf den Flächen des Metallsubstrats erfolgt.
Gegenüber der bisherigen Herstellungsweise, wonach einzelne Metallplättchen mit CNT-Oberflächen belegt wurden und dann die einzelnen Metallplättchen in einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Positionen auf einem Träger aufgebracht wurden, entspricht das einem wesentlichen Einsparpotenzial im Rahmen der Fertigung. Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Nanostrukturen im Rahmen der Erfindung auch aus Halbleitern, Leitern, Graphene etc. hergestellt werden können.
Entsprechend diesem oben beschriebenen Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder also ein Ringkathodensegment, insbesondere für ein CT-System, vor, welches eine Vielzahl von Emitterpositionen auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst, wobei es auf einem nicht-leitenden, als Ringsegment ausgebildeten Träger, an der Vielzahl der Emitterpositionen eine leitfähige Klebschicht mit einer ebenen, vorzugsweise zum Mittelpunkt des Ringkathodensegments gerichtete, Oberfläche aufweist, und je eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen an der Vielzahl der Emitterpositionen auf den Klebschichten erzeugt wird.
Vorteilhaft kann zusätzlich an jeder Emitterposition ein Extraktionsgitter in einem vorgegebenen Abstand zur Oberfläche der Nanostruktur mit Hilfe eines leitenden Klebers fixiert sein. Es ist allerdings ebenfalls möglich, das Extraktionsgitter über mehrere Emitter hinweg anzubringen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass für jede Emitterposition zumindest teilweise Leiterbahnen aus der leitfähigen Klebschicht erzeugt und diese mit einer Hochspannungselektronik verbunden werden. Hierbei kann es weiter vorteilhaft sein, wenn die aus leitfähigem Klebstoff erzeugten Leiterbahnen auch über die Seite und auf der Rückseite des Trägers verlaufen, auf der keine leitende Nanostruktur, also kein Elektronenemitter, angeordnet sind.
Analog zum zuvor beschriebenen Ringkathodensegment wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Ringkathodensegmentes vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von Emitterpositionen auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst und die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– auf einem nicht-leitenden, als Ringsegment ausgebildeten Träger, werden an der Vielzahl der Emitterpositionen eine leitfähige Klebschicht mit Hilfe einer Dispensiervorrichtung derart aufgebracht, dass eine ebene Oberfläche entsteht, und
– je eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen an der Vielzahl der Emitterpositionen auf den Klebschichten erzeugt wird.

Hierbei kann an jeder Emitterposition ein Extraktionsgitter in einem vorgegebenen Abstand zur Oberfläche der Nanostruktur mit Hilfe eines leitenden Klebers fixiert werden.
Weiterhin können für jede Emitterposition zumindest teilweise Leiterbahnen aus der leitfähigen Klebschicht erzeugt und diese mit einer Hochspannungselektronik verbunden werden, wobei die aus leitfähigem Klebstoff erzeugten Leiterbahnen dreidimensional verlaufend erzeugt werden können und auch über die Seite und auf der Rückseite des Trägers, auf der keine CNTs angeordnet sind, verlaufen können.
Als Dispensiervorrichtung wird die Verwendung einer automatisch in der Bewegung gesteuerte Auftragsnadel mit steuerbarer Auftrageleistung für den Klebstoff und steuerbarem Abstand zwischen Nadel und Substrat vorgeschlagen. Hierbei kann es weiterhin günstig sein, wenn die ebene Oberfläche aus der leitfähigen Klebschicht durch mehrfaches Aufbringen mit Hilfe der Auftragsnadel mit einem Austrittsöffnungsquerschnitt, welcher wesentlich kleiner ist als die Gesamtoberfläche der entstehenden leitenden Klebschicht, geschieht. Unter wesentlich kleiner wird hierbei ein Bereich von ≤ 5%, vorzugsweise ≤ 1%, angesehen. Zur Erzeugung der ebenen Oberfläche kann die Geschwindigkeit der Nadelbewegung und/oder die Auftrageleistung für den Klebstoff gesteuert werden.
Bezüglich der Ausgestaltung der Auftragsnadel wird einerseits vorgeschlagen, diese mit einem ovalen oder doppelovalen Austrittsquerschnitt und einem Anstellwinkel zwischen 0° bis 20°, vorzugsweise zwischen 5° bis 15°, zu versehen. Alternativ hierzu kann es auch besonders günstig sein, eine Auftragsnadel mit rundem Austrittsquerschnitt mit gleichem Anstellwinkel zu verwenden.
In einer besonders günstigen Ausführungsvariante der Herstellung des Kathodensegmentes wird vorgeschlagen, die leitfähige Klebschicht nach dem Aufbringen auf den Träger zunächst zur Oberflächenvergleichmäßigung mit einer Tempertemperatur und zur Aushärtung mit einer Curingtemperatur zu behandeln, wobei die Tempertemperatur kleiner als die Curingtemperatur ist.
Zusätzlich oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit die leitfähige Klebschicht nach dem Aufbringen und einem vorangegangenen Aushärteprozess auf dem Träger eben zu schleifen.
Des Weiteren wird als besonders günstig vorgeschlagen, zur Abstandspositionierung des Extraktionsgitters wieder entfernbare Abstandshalter zu verwenden. Außerdem wird als besonders günstiges Verfahren zur Erzeugung der CNTs ein PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition = Physikalische Gasabscheidung) angewendet.
Gegenstand der Erfindung ist neben dem oben beschriebenen Ringkathodensegment auch eine Röntgenröhre eines CT-Systems mit einer Vielzahl von Emitterpositionen auf einer feststehenden Ringkathode, aufweisend:

– einen Kathodenring aus mehreren Ringkathodensegmenten, wobei
– jedes Ringkathodensegment aus einem Träger in gekrümmter Ringsegmentform bestehen kann,
– auf jedem Ringkathodensegment an den Emitterpositionen isoliert voneinander leitfähige Klebschichten aufgebracht sind, und
– an jeder Emitterposition auf der leitfähigen Klebschicht unmittelbar eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen aufgebracht ist.

Wird als Ringkathodensegment ein Segment mit zylindrisch ausgebildeter, zur Mitte ausgerichteter Oberfläche verwendet, so können die Klebschichten facettenartig erzeugt werden, wobei jede Facette mit ihrer Oberflächennormalen zum Mittelpunkt des Ringkathodensegments ausgerichtet ist.
Ebenfalls gehören zum Rahmen der Erfindung Ringkathodenröhren, die Ringkathodensegmente aufweisen, die entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgenden Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: Gantrygehäuse; 3: verfahrbare Patientenliege; 4: Systemachse, 5: Patient; 6: Computersystem; A: Auftragsnadel; D1, D2: Detektoren; e^–: Elektron; E1 bis E4: Elektronenemitter; F, F1 bis F2: Fokuspositionen; G: Extraktionsgitter; K: elektrisch leitender Klebstoff; L: Leiterbahn; L1 bis L4: Linienspuren; M: Mittelpunkt; N: Flachennormale; NT: Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (Carbon Nano Tubes); R: Radius, S1 bis S4: Ringsegmente der Rontgenrohre; T: Träger; R: Radius; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; v: Vorschubgeschwindigkeit; WT: Rohrenfenster; α: Anstellwinkel; γ: Röntgenstrahlung.
Es zeigen im Einzelnen:
1: 3-D-Ansicht eines CT-Systems mit einer erfindungsgemaßen Ringkathode;
2: Querschnitt durch eine Ringrontgenrohre aus einem CT-System der 1 mit vier Rontgenröhrensegmenten;
3: Schematische Darstellung eines Ringkathodensegmentes mit vier Kathoden bestehend aus Feldemittern und Gittern;
4: Schematische Darstellung des Auftrags eines metallischen Klebstoffes mit einer Auftragsnadel auf eine Oberfläche;
5: Querschnitt durch mehrere übereinander und nebeneinander geschichtete Lagen einer leitenden Klebschicht;
6: Querschnitt durch einen Emitter eines Ringkathodensegmentes;
7: Schematischer Aufbau eines Ringkathodensegmentes mit mehreren Elektronenemittern;
8: Schnitt X-X durch 7;
9: Schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre im Querschnitt.
Die 1 zeigt eine dreidimensionale Ubersichtsdarstellung eines CT-Systems 1 mit einer nicht naher dargestellten Ringröhre mit erfindungsgemaßen Ringkathodensegmenten. Diese befinden sich in einem Gantrygehäuse 2, welches in der Mitte eine Messöffnung aufweist, durch die ein Patient 5 auf einer verfahrbaren Patientenliege 3, entlang einer Systemachse 4, gefahren werden kann, wahrend er aus einer Vielzahl von Winkelpositionen mit Hilfe der Ringröntgenrohre abgetastet wird. In dieser besonderen Ausfuhrungsform ist eine Rotation der Gantry nicht mehr notig. Die Steuerung dieses Systems wird durch ein Computersystem 6 durchgefuhrt, welches auch die Auswertung der Bilddaten mit Hilfe der Computerprogramme Prg₁ bis Prg_n durchführen kann.
In der 2 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ringrontgenröhre gezeigt. Die Ringrontgenröhre ist in vier Segmente S1 bis S4 aufgeteilt, die wiederum eine oder mehrere Kathodensegmente aufweisen, bei denen auf einem ringsegmentartigen nicht-leitenden Trager eine Vielzahl von Emitterpositionen in der zuvor oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art und Weise aufgebracht wurden. Wird ein solcher Emitter, wie hier beispielsweise an der Position E1 und/oder E2 elektronisch angesteuert, so emittiert dieser Elektronenemitter einen Elektronenfluss, der durch die Beschleunigungsspannung der Röntgenrohre zu einem Fokus F1 beziehungsweise F2 einer Anodenoberfläche beschleunigt wird und dort durch Abbremsung der Elektronen Bremsstrahlung und charakteristische Rontgenstrahlung aussendet. Durch den besonderen Aufbau einer solchen Ringrohre ist es moglich, eine Vielzahl solcher Emitterpositionen am Umfang abwechselnd anzusteuern, so dass eine Ringrohre die Bewegung der sonst auf einer Gantry umlaufenden Rontgenrohre ersetzen kann. Mit der sequentiell an einer Vielzahl an Emitterpositionen erzeugten Elektronenstrahlen und an entsprechenden Fokuspositionen ausgesendeter Röntgenstrahlung wird der Patient 5 kreisformig um die Systemachse 4 verlaufend mit Hilfe eines Detektors an jeweils gegenüberliegenden Detektorpositionen abgetastet. In der Darstellung sind beispielhaft zwei, den Fokuspositionen F1 und F2 gegenuberliegende Detektorpositionen D1 und D2 eingezeichnet.
Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Ringkathodensegmentes Slist in der 3 naher beschrieben. Diese zeigt ein Trägersegment T mit einem Radius R, auf dem an vier verschiedenen Positionen E1 bis E4 ein leitender Klebstoff K aufgetragen ist, der durch entsprechende Dosierung und gegebenenfalls nachfolgende Glattung eine ebene Flache bildet, deren Flachennormale N hier in Richtung auf den Segmentmittelpunkt M zeigt. Auf dieser ebenen Flache wurden Kohlenstoff-Nano-Röhrchen NT aufgebracht, die bei Anlegen von Spannung, aufgrund der extremen Krummung an den Spitzen der Kohlenstoff-Nano-Röhrchen NT, hohe Feldstärken aufweisen, die zu einer leichten Emission von Elektronen fuhren. Zur Steuerung der Emitter ist uber den Kohlenstoff-Nano-Rohrchen NT ein Extraktionsgitter G angeordnet.
Die 4 zeigt wie zum Beispiel mit Hilfe eines Auftragsnadel A, welche einen Anstellwinkel α besitzt und mit einer Vorschubgeschwindigkeit v uber eine Oberflache bewegt wird, während ein leitender Klebstoff K durch die Auftragsnadel A mit einer definierten Dosierrate gepresst wird und auf der darunter liegenden Oberflache als Raupe aufgetragen wird. Durch Veränderung der Dosierrate und/oder der Vorschubgeschwindigkeit kann die Dicke des Auftrags in gewünschter Weise beeinflusst werden. Beispielsweise kann damit ein Auftrag erzeugt werden, der eine Krümmung des Trägers durch entsprechende Variation so ausgleicht, dass die neu entstehende Kleberoberflache weitgehend eben ist. Genügt hierbei ein einziger Auftrag nicht, so kann die Auftragsnadel auch mehrfach uber die gleiche Stelle gefuhrt werden, so dass eine entsprechende Anzahl von Schichten ubereinander angelegt werden.
Die 5 zeigt einen Querschnitt durch eine solche Oberflache, wobei zu erkennen ist, dass die Oberflache wellenformige Unebenheiten aufweist, wobei die einzelnen Linien die mit der Nadel gelegt wurde, mit L1 bis L5 bezeichnet werden und jeweils ein Maximum darstellen. Erfindungsgemaß kann dieser Klebstoff K etwas erhitzt werden, so dass die Viskositat des Klebstoffes sich zunächst verringert und dadurch aufgrund der vorhandenen Oberflächenspannung eine etwas ebenere Oberflache entsteht. Diese ist gestrichelt dargestellt. Aufgrund der in der Klebstoffdispersion, in der sich als Festanteile Körnungen von Edelmetallen befinden, kann als minimale Oberflachenrauhigkeit lediglich ein Betrag erreicht werden, der der Körnung des im Klebstoff dispergierten Edelmetalls in etwa entspricht. Soll eine weitere Egalisierung der Oberflache erreicht werden, so kann dies beispielsweise durch zusätzliches Schleifen erreicht werden.
Wird nun auf solch einer ebenen leitenden Oberfläche eine Schicht mit Kohlenstoff-Nano-Röhrchen NT aufgebracht, so entsteht ein Schichtaufbau eines Elektronenemitters E1, ähnlich wie er in der 6 dargestellt ist. Diese zeigt den ebenen mit Klebstoff K gefüllten Körper, auf dem auf der Oberfläche die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen NT nebeneinander angeordnet sind. Es wird auch hierbei darauf hingewiesen, dass die Darstellung lediglich eine schematische Darstellung sein soll und in der Realitat selbstverständlich andere, jedoch schwerer darstellbare Großenordnungen herrschen.
Zur Verdeutlichung des Aufbaus zeigt die 7 nochmals ein Ringkathodensegment mit 5 Emitterregionen an den Emitterpositionen E1 bis E5 im Querschnitt. Jede dieser Regionen ist, wie oben beschrieben, mit einer Klebstoffschicht K und darauf mit einem als Nanostruktur NT ausgebildeten Feldemitter, z. B. CNTs, beschichtet. Ein Extraktionsgitter G wird mit Hilfe von definierten Klebestellen, die als Separatoren beziehungsweise Abstandshalter wirken, in einem definierten Abstand über der Emitterschicht positioniert. Bei der Positionierung des Gitters G kann es auch hilfreich sein wieder entfernbare Abstandshalter einzusetzen. Typischer Weise ist der Abstand des Gitters zu den Emittern einige 100 μm. Außerdem sind die etwas erhabenen Leiterbahnen L zu sehen, die um die Seite des Tragers T verlaufen.
In der 8 ist der Schnitt X-X durch die 7 gezeigt. Hier ist zu erkennen, wie eine beispielhafte räumliche Anordnung der 5 Emitterregionen mit dem vorher beschriebenen Verfahren realisiert ist. Insbesondere sind auch hier die aus leitendem Klebstoff K erzeugten Leiterbahnen L zu sehen, die um den Trager T gefuhrt werden.
Die 9 zeigt, eine beispielhafte schematisch dargestellte Anordnung einer Ringröntgenröhre mit einer ringförmig ausgebildeten Vakuumrohre, in der ein Ringsegment mit einem Trager T befestigt ist, auf dem Trager T befinden sich die auf ebenen leitenden Klebstoffschichten K Nanostrukturen NT, uber denen ein Gitter G angebracht ist. Wird solch eine Nanostruktur durch eine angelegte Rohrenspannung zur Emission angeregt, so werden Elektronen e^– zum gegenuberliegenden Fokus F auf der Anodenoberflache beschleunigt und erzeugen dort beim Auftreffen Röntgenstrahlung γ, die durch ein Rohrenfenster WT austritt.
Insgesamt wird also durch das erfindungsgemaße Herstellungsverfahren einer solchen Ringrontgenrohre erreicht, dass diese preisgunstig und in großeren Mengen in vernünftiger Zeit und zu vernünftigen Kosten erzeugt werden kann, wodurch sich auch serienmäßig produzierte CT-Systeme mit feststehenden Ringröntgenröhren verwirklichen lassen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ringkathodensegment welches eine Vielzahl von Emitterpositionen (E1, E2) auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: – es auf einem nicht-leitenden, als Ringsegment ausgebildeten Träger (T), an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) eine leitfähige Klebschicht (K) mit einer ebenen Oberfläche aufweist, und – je eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen (NT) an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) auf den Klebschichten (K) ausgebildet ist.
Ringkathodensegment gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Emitterposition (E1, E2) ein Extraktionsgitter (G) in einem vorgegebenen Abstand zur Oberfläche der Nanostruktur (NT) fixiert ist.
Ringkathodensegment gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Emitterposition (E1, E2) zumindest teilweise Leiterbahnen (L) aus der leitfähigen Klebschicht (K) ausgebildet sind und diese mit einer Hochspannungselektronik verbunden sind.
Ringkathodensegment gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (L) aus leitfähigem Klebstoff (K) dreidimensional verlaufen.
Ringkathodensegment gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (L) aus leitfähigem Klebstoff (K) auch über die Seite und auf der Rückseite des Trägers (T) verlaufen, auf der keine CNTs angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Ringkathodensegmentes, welches eine Vielzahl von Emitterpositionen (E1, E2) auf einer Ringkathode einer Röntgenröhre umfasst, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 6.1. auf einem nicht-leitenden, als Ringsegment ausgebildeten Träger (T), werden an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) eine leitfähige Klebschicht (K) mit Hilfe einer Dispensiervorrichtung (A) derart aufgebracht, dass eine ebene Oberfläche entsteht, und 6.2. je eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen (NT) an der Vielzahl der Emitterpositionen (E1, E2) auf den Klebschichten (K) erzeugt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Emitterposition (E1, E2) ein Extraktionsgitter (G) in einem vorgegebenen Abstand zur Oberfläche der Nanostruktur (NT) mit Hilfe eines leitenden Klebers (K) fixiert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Emitterposition (E1, E2) zumindest teilweise Leiterbahnen (L) aus der leitfähigen Klebschicht (K) erzeugt werden und diese mit einer Hochspannungselektronik verbunden werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aus leitfähigem Klebstoff (K) erzeugten Leiterbahnen (L) dreidimensional verlaufend erzeugt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aus leitfähigem Klebstoff (K) erzeugten Leiterbahnen (L) auch über die Seite und auf der Rückseite des Trägers (T), auf der keine CNTs angeordnet sind, verlaufend erzeugt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispensiervorrichtung eine automatisch in der Bewegung gesteuerte Auftragsnadel (A) mit steuerbarer Auftrageleistung für den Klebstoff (K) und steuerbarem Abstand zwischen Auftragsnadel (A) und Substrat verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Oberfläche aus der leitfähigen Klebschicht (K) durch mehrfaches Aufbringen mit Hilfe der Auftragsnadel (A) mit einem Austrittsöffnungsquerschnitt, welcher wesentlich kleiner ist als die Gesamtoberfläche der entstehenden leitenden Klebschicht, erzeugt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der ebenen Oberfläche die Geschwindigkeit (v) der Nadelbewegung und/oder die Auftrageleistung für den Klebstoffs (K) gesteuert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftragsnadel (A) mit ovalem oder doppelovalem Austrittsquerschnitt und einem Anstellwinkel (α) von 0° bis 20°, insbesondere von 5° bis 15°, verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftragsnadel (A) mit rundem Austrittsquerschnitt und einem Anstellwinkel (α) von 0° bis 20°, insbesondere von 5° bis 15°, verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Klebschicht (K) nach dem Aufbringen auf den Träger (T) zunächst zur Oberflächenvergleichmäßigung mit einer Tempertemperatur und zur Aushärtung mit einer Curingtemperatur behandelt wird, wobei die Tempertemperatur kleiner als die Curingtemperatur ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Klebschicht (K) nach dem Aufbringen und einem vorangegangenen Aushärteprozess auf dem Träger (T) eben geschliffen wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstandspositionierung des Extraktionsgitters (G) wieder entfernbare Abstandshalter verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Nanostrukturen (NT) ein PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition = Physikalische Gasabscheidung) angewendet wird.
Ringröntgenröhre eines CT-Systems mit einer Vielzahl von Emitterpositionen (E1, E2) auf einer feststehenden Ringkathode, aufweisend – einen Kathodenring aus mehreren Ringkathodensegmenten, wobei – jedes Ringkathodensegment aus einem Träger (T) in gekrümmter Ringsegmentform besteht, – auf jedem Ringkathodensegment an den Emitterpositionen (E1, E2) isoliert voneinander leitfähige Klebschichten (K) aufgebracht sind, und – an jeder Emitterposition auf der leitfähigen Klebschicht (K) unmittelbar eine Schicht mit leitenden Nanostrukturen (NT) aufgebracht ist.
Ringröntgenröhre gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie Ringsegmente aufweist, die gemäß einem der Verfahrensansprüche 6 bis 19 hergestellt sind.