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Die Erfindung betrifft eine Kathode.
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Eine derartige Kathode ist in einer Röntgenröhre angeordnet und dient als Elektronenquelle. Die Kathode umfasst einen Kathodenkopf, in dem ein Emitter starr befestigt ist. 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.
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Als Elektronenquelle geeignete Emitter sind als thermionische Emitter (thermische Elektronenemission durch Widerstandsheizung oder durch Laserbestrahlung des Emitters) oder als Feldemitter (durch Felddemission erzeugte Elektronen) ausgebildet.
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Ein als Wendelemitter (Glühwendel) ausgebildeter thermionischer Emitter ist beispielsweise aus der
DE 199 55 845 A1 bekannt. Thermoionische Emitter, die als Flachemitter ausgeführt sind, sind beispielsweise in der
DE 27 27 907 C2 und der
DE 10 2008 046 721 A1 (jeweils rechteckige Emitterflächen) sowie in der
DE 199 14 739 C1 (kreisförmige Emitterflächen) beschrieben. Bei den vorstehend genannten Flachemittern sind die Emitterfläche und die Anschlussbeinchen einstückig ausgebildet und über einen Abbug in eine 90°-Position gebracht. Die Anschlussbeinchen des Flachemitters sind starr im Kathodenkopf befestigt. Aufgrund einer gewissen Eigenelastizität der Anschlussbeinchen ist eine begrenzte Elastizität der Aufhängung des Flachemitters gegeben.
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Weiterhin ist in der
US 7,693,265 B2 ein Flachemitter offenbart, auf dessen Rückseite starre stabförmige Anschlussbeinchen angeschweißt sind.
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Ferner ist in der
US 6,801,599 B1 ein Emitter mit angeschweißten Kontaktstäben beschrieben, bei dem man durch lange Hülsen etwas Flexibilität bei der Befestigung des Emitters im Kathodenkopf erzielen kann.
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Die vorgenannten thermoionischen Emitter werden jeweils durch Widerstandsheizung, d. h. durch Bestromung (Beaufschlagung mit Heizstrom), erhitzt.
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Im Betrieb der Röntgenröhre wird an den thermionischen Emitter, der vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium besteht, eine Heizspannung angelegt (Widerstandsheizung) und dadurch auf Temperaturen bis zu. 2.400°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.
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Der thermoionische Emitter ist an seinen beiden Anschlussbeinchen, über die der Heizstrom zuführbar ist, starr im Kathodenkopf gehaltert.
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Die während des Betriebs auftretenden Temperaturen führen beim thermoionischen Emitter zu relativ starken Längenausdehnungen, die zu elastischen und/oder plastischen Verformungen führen, wobei am Emitter aufgrund der thermischen Ausdehnung mechanische Spannungen von 100 MPa bis 200 MPa auftreten können. Derartige Verformungen können negative Einflüsse auf die Geometrie des emittierten Elektronenstrahls haben, wodurch sich die Geometrie des auf der Anode erzeugten Brennflecks und daraus resultierend die Bildqualität entsprechend verschlechtern kann. Darüber hinaus führt das ständige Ein- und Ausschalten des Heizstroms während des Betriebs der Röntgenröhre zu einer Dauerwechselbelastung des thermoionischen Emitters, die die Lebensdauer des Emitters drastisch reduziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer längeren Lebensdauer zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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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 in einem ersten Endbereich über ein Festlager positioniert und in einem zweiten Endbereich über ein Loslager auf eine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
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Bei der erfindungsgemäßen Kathode ist der Emitter im ersten Endbereich über das Festlager starr mit dem Kathodenkopf verbunden. Im zweiten Endbereich ist der Emitter über das Loslager auf die von der Emittergeometrie vorgegebene thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
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Dadurch, dass der Emitter in einem ersten Endbereich über ein Festlager positioniert und in einem zweiten Endbereich über ein Loslager auf eine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist, führen bei allen beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode die thermisch bedingten Längenausdehnungen des Emitters nicht zu einer elastischen und/oder plastischen Verformung des Emitters. Thermische Längenausdehnungen des Emitters üben somit keine negativen Einflüsse auf die Geometrie des emittierten Elektronenstrahls aus.
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Da die thermisch bedingten Längenausdehnungen des Emitters über das Loslager aufgefangen werden, führt das ständige Ein- und Ausschalten des Heizstroms während des Betriebs der Röntgenröhre zu einer extrem reduzierten mechanischen Dauerwechselbelastung des Emitters, wodurch die Emitter-Lebensdauer und damit die Lebensdauer der Kathode deutlich erhöht wird. Eine Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Kathode besitzt damit eine entsprechend längere Lebensdauer.
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Aufgrund der auch bei hoher Emittertemperatur deutlich reduzierten mechanischen Belastung kann darüber hinaus eine hohe Elektronenemission über einen relativ langen Zeitraum erzielt werden.
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Im Rahmen der Erfindung können der erste Endbereich und der zweite Endbereich auf unterschiedlichen Seiten oder auf derselben Seite angeordnet sein. Die erfinderische Lösung ist somit z. B. bei I-förmigen Flachemittern (rechteckiger Emitter), U-förmigen Flachemittern, L-förmigen Flachemittern oder kreisförmigen Flachemittern realisierbar. Darüber hinaus ist die erfinderische Lösung nicht nur für den Einbau eines Flachemitters sondern auch für den Einbau eines Wendelemitters in eine Kathode gemäß Anspruch 1 geeignet.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine Vielzahl von vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode realisierbar.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager als elektrischer Kontakt ausgeführt ist und/oder dass das Loslager als elektrischer Kontakt ausgeführt ist. Die wenigstens zwei elektrischen Kontakte, die für das Anlegen einer Heizspannung an den Emitter benötigt werden, sind jedoch auch separat realisierbar, so dass das Festlager und das Loslager ausschließlich mechanische Aufgaben wahrnehmen. Damit ist bei der erfindungsgemäßen Kathode eine Vielzahl von konstruktiven Varianten möglich.
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Weiterhin sind für das Festlager und/oder das Loslager folgende Varianten einzeln oder in Kombination realisierbar:
- – Das Festlager ist in einer Längsachse des Emitters angeordnet;
- – das Festlager ist parallel zu einer Längsachse des Emitters angeordnet;
- – das Loslager ist in einer Längsachse des Emitters angeordnet;
- – das Loslager ist parallel zu einer Längsachse des Emitters angeordnet
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Festlager ein säulenartiges Halterungselement und ein Befestigungselement, wobei sich der Emitter auf dem säulenartigen Halterungselement abstützt und mit dem Befestigungselement fixiert ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Loslager ein säulenartiges Halterungselement mit einer umlaufenden Nut und einen Längsschlitz, der im Emitter angeordnet ist und in der thermischen Hauptausdehnungsebene verläuft.
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Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Loslager zwei Backen, die im zweiten Endbereich parallel zu den Längsseiten eines Flachemitters angeordnet sind, wobei die Backen jeweils eine Nut aufweisen, in der der Flachemitter im Schiebsitz gehalten ist.
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Eine zu der vorhergehenden Ausgestaltung alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Loslager zwei Säulen umfasst, die im zweiten Endbereich parallel zu den Längsseiten eines Flachemitters angeordnet sind, wobei die Säulen jeweils eine Nut aufweisen, in der der Flachemitter im Schiebsitz gehalten ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Loslager ein Führungselement, das in einem Längsschlitz geführt ist, der im zweiten Endbereich eines Flachemitters in der Mittellängsachse angeordnet ist.
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Alternativ zu der vorgenannten Variante weist die Kathode ein Loslager auf, das ein Führungselement umfasst, das in einer Längskerbe geführt ist, die im zweiten Endbereich eines Flachemitters in der Mittellängsachse angeordnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Loslager ein säulenartiges Abstützelement umfasst, auf dessen Deckfläche ein Flachemitter im Schiebesitz abgestützt ist, wobei quer zur Längsachse des Flachemitters eine Führungsplatte angeordnet ist, die sich auf zwei säulenartige Abstützelemente abstützt, die im zweiten Endbereich auf jeweils einer Längsseite des Flachemitters angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Führungsplatte eine Nut auf, in der der Flachemitter geführt ist.
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Für eine Kathode mit einem Wendelemitter umfasst das Loslager ein säulenartiges Abstützelement mit einem senkrecht angeordneten Schlitz und einer waagrecht angeordneten Bohrung, in der der zweite Endbereich des Wendelemitters im Schiebesitz gehalten ist.
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Nachfolgend werden schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Emitters gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Emitters gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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3 eine Draufsicht auf einen Emitter gemäß einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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4 eine Seitenansicht des Emitters gemäß 3,
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5 eine Draufsicht auf einen Emitter gemäß einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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6 eine Seitenansicht des Emitters gemäß 5,
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7 eine perspektivische Ansicht eines Emitters gemäß einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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8 eine perspektivische Ansicht eines Emitters gemäß einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
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9 eine perspektivische Ansicht eines Emitters gemäß einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
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In 1 bis 9 ist jeweils ein Emitter dargestellt, der in einem Kathodenkopf einer Kathode angeordnet ist. Kathode und Kathodenkopf sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Der Emitter ist in den in 1 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils als Flachemitter 1 ausgeführt. Im Rahmen der Erfindung kann der Emitter – wie in 9 dargestellt – auch als Wendelemitter 2 ausgeführt sein.
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Die in 1 bis 8 dargestellten Flachemitter 1 weisen jeweils eine Emitterfläche 3 auf, die beim Anlegen einer Heizspannung an zumindest zwei elektrische Kontakte des Flachemitters 1 Elektronen emittiert.
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Die Emitterfläche 3 weist Einschnitte 3a und 3b auf, die wechselweise von zwei gegenüberliegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung sowie parallel zueinander angeordnet sind.
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Weiterhin sind die in 1 bis 8 dargestellten Flachemitter 1 jeweils in einem ersten Endbereich 4 über ein Festlager 5 positioniert und in einem zweiten Endbereich 6 über ein Loslager 7 auf eine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
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Bei der in 1 bis 8 dargestellten Anordnung umfasst das Festlager 5, über das der Flachemitter 1 im ersten Endbereich 4 positioniert ist, ein säulenartiges Abstützelement 51. Das säulenartige Abstützelement 51 weist z. B. einen runden Querschnitt (1 bis 7) oder einen rechteckigen Querschnitt (8) auf.
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Das Festlager 5 umfasst bei den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 weiterhin jeweils ein Befestigungselement 52, mit dem im ersten Endbereich 4 die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem säulenartigen Abstützelement 51 und dem Flachemitter 1 hergestellt ist. Das Befestigungselement 52 ist beispielsweise als Nagel, Pin, Schraube oder dergleichen ausgebildet. Bei einer Schraubverbindung können das Abstützelement 51 und das Befestigungselement 52 in jeweils korrespondierenden Befestigungsbereichen Innen- bzw. Außengewinde aufweisen. Alternativ zu dem Befestigungselement 52 kann auch eine in 3 und 4 beschriebene Schweißverbindung realisiert werden.
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Das Loslager 7, über das der Flachemitter 1 im zweiten Endbereich 6 auf die thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist, umfasst bei der Ausführungsform gemäß 1 zwei Backen 71 und 72, die im zweiten Endbereich 6 des Flachemitters 1 parallel zu seinen beiden Längsseiten angeordnet sind. Die beiden Backen 71 und 72 weisen jeweils eine Nut 711 bzw. 721 auf, in der der Flachemitter 1 im Schiebesitz gehalten und dadurch auf seine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist.
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Bei der in 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung umfasst das Loslager 7 zwei Säulen 73 und 74, die im zweiten Endbereich 6 des Flachemitters 1 parallel zu seinen beiden Längsseiten angeordnet sind. Die beiden Säulen 73 und 74 weisen ebenfalls jeweils eine Nut 731 bzw. 741 auf, in der der Flachemitter 1 im Schiebesitz gehalten ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Flachemitter 1 im Schiebesitz gehalten und dadurch auf seine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
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Das Loslager 7 der dritten Ausführungsform, dargestellt in 3 und 4, umfasst ein Führungselement 75, das in einem Längsschlitz 76 geführt und durch einen Pin 751 gesichert ist. Der Längsschlitz 76 ist im zweiten Endbereich 6 des Flachemitters 1 in der Mittellängsachse angeordnet. Auch in diesem Fall ist der Flachemitter 1 im Schiebesitz gehalten und dadurch auf seine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
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Das Festlager 5 ist bei dem in 3 und 4 gezeigten Flachemitter 1 durch eine Schweißverbindung 53 zwischen dem ersten Endbereich 4 des Flachemitters 1 und dem säulenartigen Abstützelement 51 realisiert. Die in 1 und 2 dargestellte kraftschlüssige Verbindung durch ein Befestigungselement 52 ist ebenfalls möglich.
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In 5 und 6 weist das Loslager 7 des Flachemitters 1 anstelle des Längsschlitzes 76 eine Längskerbe 77 auf, die ebenfalls im zweiten Endbereich 6 des Flachemitters 1 in der Mittellängsachse angeordnet ist. In der Längskerbe 77 ist wiederum ein Führungselement 75 geführt, so dass auch bei dieser Variante der Flachemitter 1 im Schiebesitz gehalten und dadurch auf seine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist.
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Bei der in 7 gezeigten Ausgestaltung umfasst das Loslager 7 ein säulenartiges Abstützelement 78 (z. B. in Form eines Kreiszylinders), auf dessen Deckfläche 781 sich der Flachemitter 1 bei einer thermischen Ausdehnung in seine Längsrichtung bewegen kann. Um diese Bewegung ausschließlich auf die thermische Hauptausdehnungsebene einzuschränken, muss ein anheben des zweiten Endbereichs 6 verhindert werden. Dies wird durch eine Führungsplatte 782 erzielt, die quer zur Längsachse des Flachemitters 1 angeordnet ist und sich über zwei säulenartige Abstützelemente 783 und 784 im Kathodenkopf befestigt sind. Die säulenartigen Abstützelemente 783 und 784 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel auf Höhe des zweiten Endbereichs 6 auf jeweils einer Längsseite des Flachemitters 1 angeordnet. Um eine zuverlässige Einschränkung der thermisch bedingten Bewegung des Flachemitters 1 auf die thermische Hauptausdehnungsebene zu gewährleisten, weist die Führungsplatte 782 eine Nut 785 auf, in der der Flachemitter 1 geführt ist.
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8 zeigt einen Flachemitter 1, bei dem ein erstes Anschlussbeinchen einen ersten Endbereich 4 und ein zweites Anschlussbeinchen den zweiten Endbereich 6 bilden. Der erste Endbereich (erstes Anschlussbeinchen) ist durch ein Befestigungselement 52 an einem säulenartigen Abstützelement 51 befestigt. Das säulenartige Abstützelement 51 und das Befestigungselement 52 bilden zusammen das Festlager 5. Der zweite Endbereich 6 ist in einem Loslager 7 auf eine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt. Das Loslager 7 umfasst ein säulenartiges Abstützelement 7, das einen Schlitz 791 aufweist. Im Schlitz 791 ist der zweite Endbereich 6 (zweites Anschlussbeinchen) im Schiebsitz gehalten, wodurch der Flachemitter 1 auf die thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist.
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In 9 ist die erfindungsgemäße Maßnahme bei einer Kathode mit einem Wendelemitter 2 dargestellt. Der Wendelemitter 2 umfasst ebenfalls einen ersten Endbereich 4 und einen zweiten Endbereich 6. Der erste Endbereich 4 ist von einem ersten Anschlussbeinchen gebildet ist; den zweiten Endbereich 6 bildet das zweite Anschlussbeinchen.
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Bei der in 9 dargestellten Anordnung umfasst das Festlager 5, über das der Wendelemitter 2 im ersten Endbereich 4 positioniert ist, ein säulenartiges Abstützelement 51. Das Festlager 5 umfasst weiterhin ein Befestigungselement 52, mit dem im ersten Endbereich 4 die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem säulenartigen Abstützelement 51 und dem Wendelemitter 2 hergestellt ist. Das Befestigungselement 52 ist beispielsweise als Nagel, Pin oder Schraube ausgebildet.
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Das Loslager 7, über das der Wendelemitter 2 im zweiten Endbereich 6 auf die thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist, umfasst bei der Ausführungsform gemäß 9 ein säulenartiges Abstützelement 79 mit einem senkrecht angeordneten Schlitz 791 und einer waagrecht angeordneten Bohrung 792. Durch den Schlitz 791 und die Bohrung 792 wird ein Verkippen des Wendelemitters 2 zuverlässig verhindert.
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Dadurch, dass der Emitter 1 bzw. 2 in einem ersten Endbereich 4 über ein Festlager 5 positioniert und in einem zweiten Endbereich 6 über ein Loslager 7 auf eine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt ist, führen bei allen beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode die thermisch bedingten Längenausdehnungen des Emitters 1 bzw. 2 nicht zu einer elastischen und/oder plastischen Verformung des Emitters 1 bzw. 2. Thermische Längenausdehnungen des Emitters 1 bzw. 2 üben somit keine negativen Einflüsse auf die Geometrie des emittierten Elektronenstrahls aus.
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Da die thermisch bedingten Längenausdehnungen des Emitters 1 bzw. 2 über das Loslager 7 aufgefangen werden, führt das ständige Ein- und Ausschalten des Heizstroms während des Betriebs der Röntgenröhre zu einer extrem reduzierten mechanischen Dauerwechselbelastung des Emitters 1 bzw. 2, wodurch die Emitter-Lebensdauer und damit die Lebensdauer der Kathode deutlich erhöht wird. Eine Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Kathode besitzt damit eine entsprechend längere Lebensdauer.
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Durch die in den Ausführungsbeispielen dargestellte erfindungsgemäße Lösung ist neben einer längeren Lebensdauer gleichzeitig eine höhere Elektronenemission erzielbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19955845 A1 [0004]
- DE 2727907 C2 [0004]
- DE 102008046721 A1 [0004]
- DE 19914739 C1 [0004]
- US 7693265 B2 [0005]
- US 6801599 B1 [0006]
