DE102010038904B4 - cathode - Google Patents
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Abstract
Kathode mit einem Kathodenkopf, in dem ein Emitter (1) angeordnet ist, der beim Anlegen einer Heizspannung Elektronen emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (1) als umlaufendes Wendelband (2) geformt ist, das eine nach außen gerichtete Emitterfläche (3) und eine nach innen gerichtete Emitterfläche (4) aufweist.Cathode with a cathode head, in which an emitter (1) is arranged which emits electrons when a heating voltage is applied, characterized in that the emitter (1) is shaped as a circumferential spiral band (2) which has an outwardly directed emitter surface (3) and an inwardly directed emitter surface (4).
Description
Die Erfindung betrifft eine Kathode.The invention relates to a cathode.
Eine derartige Kathode, die einen Emitter umfasst und in einer Röntgenröhre angeordnet ist, dient als Elektronenquelle. Die vom Emitter erzeugten Elektronen werden in Richtung einer Anode (Target) beschleunigt. Beim Aufprall der Elektronen auf der Anode werden diese abgebremst, wobei eine zur diagnostischen Bildgebung oder zur therapeutischen Bestrahlung nutzbare Röntgenstrahlung entsteht. Darüber hinaus ist mit Röntgenstrahlung auch eine analytische Materialuntersuchung oder eine sicherheitstechnische Überprüfung möglich.Such a cathode comprising an emitter and disposed in an X-ray tube serves as an electron source. The electrons generated by the emitter are accelerated in the direction of an anode (target). Upon impact of the electrons on the anode, these are slowed down, producing an X-ray radiation that can be used for diagnostic imaging or for therapeutic irradiation. In addition, with X-ray radiation, an analytical material examination or a safety inspection is possible.
Als Elektronenquelle geeignete Emitter sind als thermische Emitter (thermische Elektronenemission durch Widerstandsheizung oder durch Laserbestrahlung des Emitters) oder als Feldemitter (durch Felddemission erzeugte Elektronen) ausgebildet.Emitters suitable as electron sources are designed as thermal emitters (thermal electron emission by resistance heating or by laser irradiation of the emitter) or as field emitters (electrons generated by field emission).
Als Wendelemitter ausgebildete thermische Emitter sind aus
Im Betrieb der Röntgenröhre wird an den thermischen Emitter, der vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium besteht, eine Heizspannung angelegt (Widerstandsheizung) und dadurch auf ca. 2.000°C aufgeheizt, wodurch Elektronen aufgrund ihrer thermischen Bewegung die charakteristische Austrittsarbeit des Emittermaterials überwinden können und dann als freie Elektronen zur Verfügung stehen. Nach ihrer thermischen Emission werden die Elektronen durch ein elektrisches Potential von ca. 120 kV auf eine Anode beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird in der Oberfläche der Anode Röntgenstrahlung erzeugt.During operation of the X-ray tube, a heating voltage is applied to the thermal emitter, which is preferably made of tungsten, tantalum or rhenium (resistance heating) and thereby heated to about 2,000 ° C, whereby electrons can overcome the characteristic work function of the emitter material due to their thermal movement and then be available as free electrons. After their thermal emission, the electrons are accelerated by an electrical potential of about 120 kV to an anode. When the electrons hit the anode, X-rays are generated in the surface of the anode.
Die hohe Temperatur des Glühwendels, der üblicherweise einen homogenen Drahtdurchmesser von ca. 0,4 mm aufweist, bewirkt eine Abdampfung des Emittermaterials und daraus resultierend eine langsame Verdünnung des Wendeldrahtes, die schließlich zu einem Bruch des Wendeldrahtes führt. Bei Glühlampen ist dieser Effekt allgemein bekannt. Gleiches gilt für ein Wendelband, bei dem es sich um einen flachgedrückten Heizdrahtwendel handelt.The high temperature of the filament, which usually has a homogeneous wire diameter of about 0.4 mm, causes evaporation of the emitter material and, as a result, a slow dilution of the helical wire, which eventually leads to breakage of the helical wire. In incandescent lamps, this effect is well known. The same applies to a spiral band, which is a flattened heating wire coil.
Die Abdampfung des Emittermaterials infolge zu hoher Temperaturen am Emitter führen zur Gashaltigkeit des Vakuums im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre und damit zur Verschlechterung des Vakuums im Vakuumgehäuse, wodurch die Spannungsfestigkeit herabgesetzt wird. Im schlimmsten Fall entstehen bei einem zu starken Materialabtrag Brüche im Emittermaterial, was zum Ausfall der Röntgenröhre führt.The evaporation of the emitter material due to high temperatures at the emitter lead to the gas content of the vacuum in the vacuum housing of the X-ray tube and thus to the deterioration of the vacuum in the vacuum housing, whereby the dielectric strength is reduced. In the worst case, fractures in the emitter material occur when the material removal is too strong, which leads to failure of the X-ray tube.
Eine Verringerung des Verschleißes und eine damit verbundene Erhöhung der Lebensdauer kann nur durch eine Reduzierung der Arbeitstemperatur des Wendelemitters (Glühwendel bzw. Wendelband) erreicht werden, die jedoch zu einer unerwünschten Verringerung der Elektronenemission führt. Um eine Reduzierung der Elektronenemission aufgrund verringerter Arbeitstemperatur des Wendelemitters zu verhindern, bietet sich als besonders einfache Maßnahme an, die Abstrahlfläche für die Elektronenemission vergleichsweise groß zu machen, ohne wesentlich höhere Heizstrome einsetzen zu müssen. Dies ist bei sogenannten Flachemittern realisiert. Bei einer geeigneten Auslegung hat ein derartiger Flachemitter, bezogen auf das zu beheizende Volumen und im Vergleich zu einem Wendelemitter eine deutlich größere emissionsnützliche Abstrahlfläche.A reduction in wear and an associated increase in the life can be achieved only by reducing the working temperature of the helical emitter (filament or spiral filament), which, however, leads to an undesirable reduction in electron emission. In order to prevent a reduction of the electron emission due to reduced operating temperature of the helical emitter, a particularly simple measure is to make the emitting surface for the electron emission comparatively large, without having to use significantly higher heating currents. This is realized in so-called flat emitters. With a suitable design, such a flat emitter, based on the volume to be heated and compared to a helical emitter has a significantly larger emission-useful radiating surface.
Trotz der höheren Lebensdauer eines Flachemitters werden dennoch nach wie vor Wendelemitter eingesetzt, da Flachemitter aufgrund ihrer größeren Abstrahlfläche (Emissionsfläche) schwieriger durch elektrische Felder gesperrt werden können.Despite the higher lifetime of a flat emitter, however, helical emitters are still used since flat emitters can be more difficultly blocked by electric fields due to their larger emission area.
Alternativ zu einer Erzeugung von freien Elektronen mittels thermischer Emission (thermische Emitter) können freie Elektronen mittels Feldemission (Feldemitter) erzeugt werden. Derartige Feldemitter sind z. B. durch die
Durch Anlegen einer Spannung werden Elektronen aus einem Material mit einer hohen Emissionsstromdichte, wie beispielsweise Carbon-Nano-Tubes (CNT, Kohlenstoff-Nanoröhrchen), extrahiert, wobei eine Erhitzung dieses Materials nicht notwendig ist. Die Carbon-Nano-Tubes weisen einen Durchmesser von ca. 10 nm bei einer Länge von einigen μm auf. An der scharfen Spitze kommt es zu Feldüberhöhungen des elektrischen Feldes, die die Elektronenemission allein durch den Feldeffekt ermöglicht. Die mit einem derartigen Feldemitter erzielbaren Stromdichten liegen mit typischen Werten von kleiner 2 A/cm2 jedoch deutlich unter den Stromdichten eines thermischen Emitters, mit dem Stromdichten bis zu 10 A/cm2 realisierbar sind.By applying a voltage, electrons are extracted from a material having a high emission current density, such as carbon nano-tubes (CNT, carbon nanotubes), wherein heating of this material is not necessary. The carbon nanotubes have a diameter of about 10 nm at a length of several microns. At the sharp tip, there are field peaks of the electric field, which allows the electron emission solely by the field effect. However, the current densities which can be achieved with such a field emitter, with typical values of less than 2 A / cm 2, are significantly below the current densities of a thermal emitter, with which current densities of up to 10 A / cm 2 can be realized.
Die Möglichkeit, einen derartigen Feldemitter aufgrund einer nicht notwendigen oder nur geringen Beheizung (sogenannter ”kalter Emitter”) schnell zu schalten, macht diese Technologie für Röntgenröhren sehr attraktiv. Wird die Stromdichte auf einige A/cm2 erhöht, dann ist die Lebensdauer des Feldemitters jedoch begrenzt. Um die Lebensdauer zu erhöhen, ist es bekannt, mehrere Emittermodule nebeneinander anzuordnen, um die Gesamtbelastung des Feldemitters auf diese zu verteilen und so die Gesamtbelastung für die einzelnen Emittermodule zu reduzieren und damit die Lebensdauer des Feldemitters zu erhöhen. Die Herstellung der Emittermodule ist aufwändig und demzufolge entsprechend kostspielig. Weiterhin muss jedes Emittermodul einzeln angesteuert werden. Bei Drehanoden-Röntgenröhren ist dieses Konzept deshalb technisch nur schwer realisierbar.The ability to quickly such a field emitter due to unnecessary or only low heating (so-called "cold emitter") switching makes this technology very attractive for x-ray tubes. However, if the current density is increased to several A / cm 2 , the lifetime of the field emitter is limited. In order to increase the lifetime, it is known to arrange several emitter modules side by side in order to distribute the total load of the field emitter on them, thus reducing the overall load on the individual emitter modules and thus increasing the lifetime of the field emitter. The production of the emitter modules is complex and therefore correspondingly expensive. Furthermore, each emitter module must be controlled individually. For rotary anode X-ray tubes, this concept is therefore technically difficult to realize.
Um die für die Elektronenemission hohen Feldstärken von größer 1 V/μm zu erzielen, wird entweder eine hohe Spannung benötigt oder der Abstand zur Anode muss sehr kurz sein. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines Extraktionsgitters (Gate-Elektrode) zwischen dem Feldemitter und der Anode, das auf einem gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht positiven Potential liegt. Bei Abständen zwischen ca. 100 μm bis 1 mm lassen sich diese Feldstärken mit leicht handhabbaren Mittelspannungen im Bereich von einigen kV erzeugen. Das Extraktionsgitter besteht z. B. aus dünnen Wolfram-Drähten mit einem Drahtdurchmesser von einigen 10 μm und weist einen Gitterabstand von typischerweise 100 bis 200 μm auf.In order to achieve high field strengths of more than 1 V / μm for electron emission, either a high voltage is required or the distance to the anode must be very short. Another possibility is the use of an extraction grid (gate electrode) between the field emitter and the anode, which is at a positive potential with respect to the electron emission layer. At distances between approx. 100 μm and 1 mm, these field strengths can be generated with easily handled medium voltages in the range of a few kV. The extraction grid consists z. B. from thin tungsten wires with a wire diameter of several 10 microns and has a lattice spacing of typically 100 to 200 microns.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer höheren Lebensdauer sowie einer guten Sperrbarkeit zu schaffen.The object of the present invention is to provide a cathode with a high electron emission and a longer service life as well as a good barrierability.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The object is achieved by a cathode according to claim 1. Advantageous embodiments of the cathode according to the invention are each the subject of further claims.
Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Kathodenkopf, in dem ein Emitter angeordnet ist, der beim Anlegen einer Heizspannung Elektronen emittiert. Erfindungsgemäß ist der Emitter als umlaufendes Wendelband geformt, das eine nach außen gerichtete Emitterfläche und eine nach innen gerichtete Emitterfläche aufweist. Da der Emitter erfindungsgemäß als Wendelband und nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als Wendeldraht geformt ist, weist der Emitter einen von einem runden Querschnitt abweichenden Querschnitt auf. Damit ergibt sich bei dem in der erfindungsgemäßen Kathode angeordneten Emitter, der eine nicht-kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, gegenüber einem Wendelemitter mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche ein deutlich verbessertes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, so dass eine Abdampfung des Emittermaterials wesentlich reduziert ist.The cathode according to claim 1 comprises a cathode head, in which an emitter is arranged, which emits electrons when applying a heating voltage. According to the invention, the emitter is formed as a circulating helical band which has an emitter surface facing outwards and an emitter surface pointing inwards. Since the emitter is formed according to the invention as a helical band and not, as known from the prior art, as a helical wire, the emitter has a deviating from a round cross-section cross-section. This results in the arranged in the cathode according to the invention emitter having a non-circular cross-sectional area compared to a helical emitter with a circular cross-sectional area a significantly improved surface-to-volume ratio, so that evaporation of the emitter material is substantially reduced.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathode weist das umlaufende Wendelband einen n-eckigen Querschnitt (n ≥ 3) auf, so dass z. B. trapezförmige, rechteckförmige, rautenförmige oder quadratförmige Querschnitte realisierbar sind. Bei dem Wendelband sind auch Querschnittsflächen realisierbar, die von der Form eines regelmäßigen n-Eckes abweichen.According to an advantageous embodiment of the cathode according to the invention, the circumferential helical band on an n-angular cross section (n ≥ 3), so that z. B. trapezoidal, rectangular, diamond-shaped or square cross-sections can be realized. Cross-sectional areas which deviate from the shape of a regular n-corner can also be realized in the helical band.
Bei der Kathode nach Anspruch 1 wird jedoch nicht, wie bei den bekannten Flachemittern üblich, nur eine Seite des Emitters als Emitterfläche (Emissionsfläche) genutzt, sondern die durch Glühemission frei werdenden Elektronen können beidseitig, also von der nach außen gerichteten Emitterfläche und von der nach innen gerichteten Emitterfläche, durch das äußere elektrische Feld zur Anode hin abgesaugt werden, welche üblicherweise zentrisch zur Kathode angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird damit – im Vergleich zu einem herkömmlichen Flachemitter mit nur einer nutzbaren Emitterfläche – die nutzbare Emissionsfläche entsprechend vergrößert.In the case of the cathode according to claim 1, however, only one side of the emitter is used as the emitter surface (emission surface), as is the case with the known flat emitters, but the electrons released by annealing emission can be applied on both sides, ie from the emitter surface pointing outwards and from the emitter surface inside emitter surface are sucked through the outer electric field to the anode, which is usually arranged centrally to the cathode. As a result of the solution according to the invention, the usable emission area is correspondingly increased in comparison with a conventional flat emitter with only one usable emitter area.
Physikalisch wird der sich einstellende Emissionsstrom durch die Richardson-Gleichung definiert: 
- I
- Emissionsstrom,
- A
- Richardson-Konstante,
- Ae
- Emissionsfläche,
- T
- absolute Emittertemperatur in K,
- WA
- Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Emittermaterial (für Wolfram 106 A·m–2·K–1),
- kB
- Boltzmann-Konstante
- I
- Emission current,
- A
- Richardson constant,
- A e
- Emitting surface,
- T
- absolute emitter temperature in K,
- W A
- Work function of the electrons from the emitter material (for tungsten 10 6 A · m -2 · K -1 ),
- k B
- Boltzmann constant
Somit kann durch die Vergrößerung der nutzbaren Emissionsfläche bei sonst gleichbleibenden Parametern der Emissionsstrom erhöht werden. Umgekehrt kann der gleiche Emissionsstrom bei niedrigeren Emittertemperaturen erreicht werden, was zur Reduzierung der Abdampfung und somit zur Erhöhung der Emitterlebensdauer führt.Thus, by increasing the usable emission area with otherwise constant parameters, the emission current can be increased. Conversely, the same emission current can be achieved at lower emitter temperatures, which leads to the reduction of the evaporation and thus to increase the emitter life.
Zusätzlich wird das Absaugen der Elektronen, die von der nach außen gerichteten Emitterfläche und von der nach innen gerichteten Emitterfläche emittiert werden, durch eine geschickte Positionierung bzw. Ausrichtung des Wendelbandes im elektrischen Feld im Vergleich zu einem herkömmlichen Wendelemitter (Glühwendel) verbessert. Wenn man den Kreisquerschnitt, wie er beim Glühwendel (Wendeldraht) vorliegt, horizontal in zwei Halbschalen teilt, zeigen die Oberflächennormalen der unteren Halbschale stets entgegen bzw. weg von der bevorzugten Beschleunigungsrichtung. Dies führt zu unerwünschten Streuelektronen, speziell beim Betrieb der Röntgenröhre bei niedrigen Hochspannungen (z. B. 20 kV), da in diesem Fall nicht alle Elektronen zur Anode beschleunigt werden können. Diese Verlustelektronen leisten somit keinen Beitrag zum Röhrenstrom und prallen auf die Innenwand des Vakuumgehäuses, was zu einer zusätzlichen, unerwünschten Erwärmung des Vakuumgehäuses führt.In addition, the suction of the electrons emitted from the outermost emitter surface and from the inwardly directed emitter surface is improved by skillful positioning of the helical band in the electric field compared to a conventional helical emitter (incandescent filament). If the circular cross-section, as it is present in the filament (spiral wire), divides horizontally into two half-shells, the surface normals of the lower half-shell always point towards or away from the preferred direction of acceleration. this leads to unwanted scattered electrons, especially during operation of the X-ray tube at low high voltages (eg 20 kV), since in this case not all electrons can be accelerated to the anode. These loss electrons thus make no contribution to the tube current and impinge on the inner wall of the vacuum housing, which leads to an additional undesirable heating of the vacuum housing.
Demgegenüber stehen bei einer 90°-Anordnung des Wendelbandes die Oberflächennormalen der breiten umlaufenden Emitterflächen (Hauptaustrittsflächen für die emittierten Elektronen) senkrecht zur Beschleunigungsrichtung. Somit können mehr Elektronen zur Anode hin beschleunigt werden. Die Ausbeute an Elektronen, welche zum Röhrenstrom beitragen, steigt an und die Verlustelektronen reduzieren sich. Zusätzlich werden die Emitterflächen, deren Flächennormalen entgegen der Beschleunigungsrichtung zeigen, durch die senkrechte Positionierung des Wendelbandes im Vakuumgehäuse auf ein Minimum reduziert.In contrast, with a 90 ° arrangement of the helical strip, the surface normals of the wide circumferential emitter surfaces (main exit surfaces for the emitted electrons) are perpendicular to the direction of acceleration. Thus, more electrons can be accelerated toward the anode. The yield of electrons contributing to the tube current increases and the loss electrons reduce. In addition, the emitter surfaces whose surface normals are pointing against the direction of acceleration are reduced to a minimum by the vertical positioning of the helical strip in the vacuum housing.
Da das umlaufende Wendelband aufgrund der elektrischen Kontaktierung nicht geschlossen werden kann, entstehen an den Kontaktierungsstellen sogenannte ”Emissionsfehlstellen”, die sich im Brennfleck der Röntgenröhre als helle Stellen abbilden und somit einer homogenen Brennfleckbelegung entgegenwirken. Um derartige Emissionsfehlstellen im Bereich der Kontaktierungsstellen zumindest stark zu reduzieren, wenn nicht sogar zu vermeiden, ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathode an jedem Ende des umlaufenden Wendelbandes ein Kontaktierungsfuß angeordnet. Die Kontaktierungsfüße dienen als zusätzliche Emissionsfläche an dieser Stelle und bieten darüber hinaus den Vorteil, dass die elektrische Kontaktierung nicht unmittelbar an dem umlaufenden Wendelband realisiert werden muss. Bei einer unmittelbaren elektrischen Kontaktierung sind die Übergangsstellen, aufgrund der Wärmeableitung des Kontaktierungsmaterials meist kälter als die eigentlichen Emissionsflächen auf den Emitterflächen. Dies würde wiederum Emissionsfehlstellen aufgrund der niedrigeren Temperatur erzeugen.Since the circulating helical band can not be closed due to the electrical contact, so-called "emission defects" arise at the contact points, which are reflected in the focal spot of the X-ray tube as bright spots and thus counteract a homogeneous focal spot occupancy. In order to at least greatly reduce, if not avoid, such emission defects in the area of the contacting points, according to a particularly advantageous embodiment of the cathode according to the invention, a contacting foot is arranged at each end of the circulating helical band. The Kontaktierungsfüße serve as an additional emission surface at this point and also offer the advantage that the electrical contact does not have to be realized directly on the rotating spiral belt. In the case of direct electrical contacting, the transition points, due to the heat dissipation of the contacting material, are usually colder than the actual emission surfaces on the emitter surfaces. This in turn would generate emission defects due to the lower temperature.
Die vorteilhafte Anordnung von Kontaktierungsfüßen ist prinzipiell unabhängig vom Querschnitt des umlaufenden Wendelbandes und somit bei allen Varianten der erfindungsgemäßen Kathode realisierbar.The advantageous arrangement of Kontaktierungsfüßen is in principle independent of the cross section of the rotating helical band and thus in all variants of the cathode according to the invention feasible.
Nachfolgend werden vier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:Hereinafter, four embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, but without being limited thereto. Show it:
Die in den
Der Emitter
Bei der in
Bei der Ausgestaltung gemäß
Bei der in
Idealerweise sind die Potentialverteilungen auf beiden Seiten gleich. Durch die Variation des Winkels sind jedoch auch gezielte Manipulationen der Elektronenoptik und somit der Brennfleckbelegung auf der Anode möglich.Ideally, the potential distributions are the same on both sides. By varying the angle, however, targeted manipulations of the electron optics and thus the focal spot assignment on the anode are possible.
Da das umlaufende Wendelband
Abhilfe kann in vorteilhafter Weise durch das Anbringen von Kontaktierungsfüßen
Die vorteilhafte Anordnung von Kontaktierungsfüßen
Alle dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kathode ermöglichen bei einer guten Sperrbarkeit eine hohe Elektronenemission und weisen eine höhere Lebensdauer auf.All illustrated embodiments of the cathode according to the invention allow for high barrier properties high electron emission and have a longer life.
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