DE102010061584A1

DE102010061584A1 - Röntgenstrahlkathode und Verfahren zum Herstellen derselben

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Publication number: DE102010061584A1
Application number: DE102010061584A
Authority: DE
Inventors: Sergio Wis. Lemaitre; Julin N.Y. Wan; Sergiy N.Y. Zalyubovsky; Andrey Ivanovich N.Y. Meshkov
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-08-04
Also published as: US20110188637A1; JP5719162B2; US8385506B2; CN102142346A; JP2011159623A; CN102142346B

Abstract

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten Ausführungsbeispiele, beispielsweise ein Röntgenkathodenglühwendelsystem. Das Röntgenkathodenglühwendelsystem weist ein Substrat und eine Beschichtung (74) auf, die auf dem Substrat angeordnet ist. In diesem Kathodenglühwendelsystem wird ein Elektronenstrahl (18, 90) von der Beschichtung (74), jedoch nicht von dem Substrat abgestrahlt. Der Elektronenstrahl (18, 90) wird unter Nutzung des thermionischen Effekts erzeugt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebene Erfindung betrifft Röntgenröhren und speziell Röntgenstrahlkathodensysteme und Verfahren zum Herstellen von Röntgenstrahlkathoden.
Röntgenröhren enthalten gewöhnlich eine Elektronenquelle, beispielsweise eine Kathode, die Elektronen mit hoher Beschleunigung freigibt. Ein Teil der freigegebenen Elektronen kann auf eine Targetanode auftreffen. Der Zusammenstoß der Elektronen mit der Targetanode erzeugt Röntgenstrahlen, die in einer Reihe medizinischer Geräte genutzt werden können, beispielsweise in Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystemen, Röntgenscannern, und so fort. In thermionischen Kathodensystemen ist eine Glühwendel enthalten, die dazu veranlasst werden kann, mittels des thermionischen Effekts, d. h. in Reaktion auf eine Erwärmung, Elektronen freizugeben. Allerdings muss der Abstand zwischen der Kathode und der Anode kurz bemessen sein, um einen angemessenen Elektronenbeschuss zu ermöglichen. Darüber hinaus emittieren thermionische Röntgenstrahlkathoden Elektronen gewöhnlich über die gesamte Oberfläche der Glühwendel. Daher ist es sehr schwierig, sämtliche Elektronen in einen kleinen Brennfleck hinein zu fokussieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Ausführungsbeispiel enthält eine Glühwendel einer Röntgenkathodenstrahlröhre ein Substrat und eine Beschichtung, die auf dem Substrat angebracht ist. Ein thermionischer Effekt wird genutzt, um einen Elektronenstrahl vorwiegend aus der Beschichtung heraus, jedoch weniger oder nicht aus dem Substrat zu emittieren.
In einem zweitem Ausführungsbeispiel ist ein Röntgenröhrensystem geschaffen, zu dem eine erste Kathodenglühwendel und eine Targetanode gehören. Die erste Kathodenglühwendel enthält ein Substrat und eine Beschichtung, die auf dem Substrat angebracht ist. Die Targetanode ist mit einen Kathodentargetabstand beabstandet von der ersten Kathodenglühwendel angeordnet und dieser zugewandt. Ein erster Elektronenstrahl wird von der ersten Kathodenglühwendelbeschichtung durch den thermionischen Effekt abgestrahlt und in einen ersten Brennfleck auf der Targetanode hinein beschleunigt, um Röntgenstrahlen hervorzubringen.
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlkathodensystems geschaffen. Das Herstellungsverfahren beinhaltet die Schritte: Anbringen einer Beschichtung an einem Substrat einer Glühwendel; und Platzieren der beschichteten Glühwendel in einer Kathodenanordnung. Die Beschichtung weist eine geringere Austrittsarbeit auf als das Glühwendelsubstrat.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
1 veranschaulicht schematisch ein exemplarisches CT-Bildgebungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhrenvorrichtung, zu der eine Anode und eine Kathodenanordnung gehören, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Kathodenanordnung mit einer teilweise beschichteten thermionischen Glühwendel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer thermionischen Glühwendel mit einer Beschichtung, die rechtwinklig angebracht ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer thermionischen Glühwendel mit einer Beschichtung, die in einem Rastermuster angebracht ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer mit Schlitzen ausgebildeten Glühwendel mit einer Beschichtung, die rechtwinklig angebracht ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer teilweise beschichteten gewickelten Glühwendel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines teilweise beschichteten geradlinigen Glühdrahts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 veranschaulicht eine teilweise beschichtete gekrümmte Glühwendel, die für indirekte Elektronenemissionen genutzt werden kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In gewissen Röntgenstrahlkathodenanordnungen können eine oder mehrere thermionische Glühwendeln verwendet werden, um einen Strom von Elektroden zu emittieren. Eine thermionische Glühwendel kann dazu veranlasst werden, durch die Anwendung von Wärmeenergie Elektronen aus der Oberfläche der Glühwendel freizugeben. In der Tat können umso mehr Elektronen emittiert werden, je heißer das Glühwendelmaterial ist. Das Glühwendelmaterial wird gewöhnlich mit Blick auf seine Fähigkeit, mittels des thermionischen Effekts Elektronen hervorzubringen, und mit Blick auf seine Fähigkeit hohen Temperaturen zu widerstehen gewählt, die in einigen Fällen oberhalb von etwa 2500°C oder darüber liegen können. Bisher wurde als Glühwendelmaterial gewöhnlich Wolfram oder ein Wolframderivat gewählt, beispielsweise dotiertes Wolfram (d. h. Wolfram mit hinzugefügten Verunreinigungen). Wolfram weist einen hohen Schmelzpunkt und eine verhältnismäßig geringe Austrittsarbeit auf (d. h. eine Maßzahl für die minimale Energie, die erforderlich ist, um zu bewirken, dass ein Elektron einen Stoff verlässt). Allerdings emittiert eine herkömmliche Wolframglühwendel bei gleicher Temperatur gewöhnlich weniger Elektronen als Ausführungsbeispiele einer beschichteten Glühwendel, wie sie hierin offenbart und erörtert sind. Daher können Röntgenröhren, die die offenbarten Ausführungsbeispiele beschichteter Glühwendeln verwenden, in der Lage sein, im Vergleich zu Röntgenröhren, die herkömmliche unbeschichtete Glühwendeln verwenden, bei gleicher Temperatur eine höhere Röntgenausgangsleistung zu erzeugen.
Unter Beachtung des Vorausgehenden kann es von Vorteil sein, Ausführungsbeispiele von Bildgebungssystemen, die die hierin beschriebenen beschichteten Glühwendeln nutzen können, zu erörtern, bevor diese Offenbarungen im Einzelnen erörtert werden. Während dies berücksichtigt wird und nun auf die Figuren eingegangen wird, veranschaulicht 1 schematisch ein Bildgebungssystem 10 zum Akquirieren und Verarbeiten von Bilddaten. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das System 10 ein Computertomographie-(CT)-System, das dazu eingerichtet ist, Röntgenprojektionsdaten zu akquirieren, um die Projektionsdaten in ein tomographisches Bild zu überführen, und um die Bilddaten zu verarbeiten, um sie visuell wiederzugeben und zu analysieren. Obwohl das Bildgebungssystem 10 in Zusammenhang mit medizinischer Bildgebung erörtert ist, lassen sich die hier erörterten Techniken und Konfigurationen in sonstigen nicht invasiven medizinischen Bildgebungsanwendungen nutzen, z. B. für die Durchleuchtung von Gepäck oder Paketen, oder für eine industrielle zerstörungsfreie Analyse fertiger Teile. In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel enthält das CT-Bildgebungssystem 10 eine Röntgenstrahlenquelle 12. Wie hierin im Einzelnen erörtert, kann die Quelle 12 auf einer oder mehreren herkömmlichen Röntgenstrahlenquellen basieren, z. B. auf einer Röntgenröhre. Beispielsweise kann die Quelle 12 auf einer Röntgenröhre mit einer Kathodenanordnung 14 und einer Anode 16 basieren, wie weiter unten mit Bezug auf 2 näher erläutert. Die Kathodenanordnung 14 kann einen Strom von Elektronen 18 (d. h. den Elektronenstrahl), von denen einige auf die Targetanode 16 auftreffen, beschleunigen. Der auf die Anode 16 einfallende Elektronenstrahl 18 bewirkt die Aussendung eines Röntgenstrahls 20.
Die Quelle 12 kann in unmittelbarer Nachbarschaft eines Kollimators 22 positioniert sein. Der Kollimator 22 kann für jeden Emissionspunkt der Quelle 12 eine oder mehrerer Kollimierungsbereiche, z. B. Blei- oder Wolframverschlüsse, umfassen. Der Kollimator 22 definiert gewöhnlich die Größe und Gestalt des einen oder der mehreren Röntgenstrahlen 20, die in einen Bereich hineinstrahlen, in dem eine Person 24 oder ein Objekt angeordnet ist. Jeder Röntgenstrahl 20 kann in Abhängigkeit von der Konstruktion der Detektormatrix und/oder des gewünschten Verfahrens der Datenakquisition im Wesentlichen fächerförmig oder konusförmig sein. Ein geschwächter Anteil 26 jedes Röntgenstrahls gelangt durch die Person oder das Objekt 20 hindurch und fällt auf eine Detektormatrix ein, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist.
Der Detektor 28 wird im Allgemeinen durch eine Anzahl von Detektorelementen gebildet, die die Röntgenstrahlen 20 erfassen, nachdem sie eine im Blickfeld des Bildgebungssystems 10 angeordnete Person bzw. ein Objekt durchstrahlt haben oder daran vorbei gelangt sind. Jedes Detektorelement erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität des Röntgenstrahls kennzeichnet, die an der Stelle des Detektorelements einfällt, wenn der Strahl auf den Detektor 28 trifft. Elektrische Signale werden akquiriert und verarbeitet, um eine oder mehrere Scandatensätze zu erzeugen.
Ein Systemcontroller 30 steuert den Betrieb des Bildgebungssystems 10, um Untersuchungs- und/oder Kalibrierungsprotokolle auszuführen, und um die akquirierten Daten zu verarbeiten. Die Quelle 12 wird gewöhnlich durch einen Systemcontroller 30 geregelt/gesteuert. Allgemein stellt der Systemcontroller 30 für die Röntgenuntersuchungssequenzen Leistung, Brennfleckort, Steuersignale und so fort bereit. Der Detektor 28 ist mit dem Systemcontroller 30 verbunden, der die Akquisition der Signale steuert, die durch den Detektor 28 erzeugt werden. Der Systemcontroller 30 kann außerdem vielfältige Signalverarbeitungs- und Filterfunktionen ausführen, z. B. eine anfängliche Einstellung von Dynamikbereichen, eine Verschachtelung digitaler Bilddaten, und so fort. Im vorliegenden Zusammenhang kann der Systemcontroller 30 ferner Signalverarbeitungsschaltkreise und zugeordnete Speicherschaltungen enthalten. Wie nachfolgend eingehender beschrieben, können die zugehörigen Speicherschaltungen Programme, durch den Systemcontroller 30 ausgeführte Programmroutinen und/oder kodierte Algorithmen, Konfigurationsparameter, Bilddaten, und so fort speichern. In einem Ausführungsbeispiel kann der Systemcontroller 30 ganz oder teilweise als ein prozessorgestütztes System, beispielsweise ein Universal- oder ein anwendungsspezifisches Computersystem, verwirklicht sein.
In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann der Systemcontroller 30 die Bewegung eines Linearpositionierungssubsystem 32 und eines Rotationssubsystems 34 mittels eines Antriebscontrollers 36 regeln/steuern. In einem Ausführungsbeispiel, in dem das Bildgebungssystem 10 eine Rotation der Quelle 12 und/oder des Detektors 28 aufweist, kann das Rotationssubsystem 34 die Quelle 12, denn Kollimator 22 und/oder den Detektor 28 um die Person 24 rotieren lassen. Es ist zu beachten, dass das Rotationssubsystem 34 eine Gantry enthalten kann, die sowohl stationäre Komponenten (einen Stator) und rotierende Komponenten (einen Rotor) aufweist.
Das Linearpositionierungssubsystem 32 kann einen Tisch oder Träger, auf dem die einer Bildgebung unterworfene Person bzw. das Objekt angeordnet ist, linear verschieben. Somit kann der Tisch oder Träger in der Gantry oder in einem Bildgebungsvolumen (z. B. in dem Volumen, das zwischen der Quelle 12 und dem Detektor 28 angeordnet ist) linear bewegt werden und die Akquisition von Daten aus speziellen Bereichen des Patienten oder des Objekts, und somit die Erzeugung von Bildern ermöglichen, die jenen speziellen Bereichen zugeordnet sind. Darüber hinaus kann das Linearpositionierungssubsystem 32 eine oder mehrere Komponenten des Kollimators 22 verschieben, um die Form und/oder Richtung des Röntgenstrahls 20 einzustellen. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen, bei denen die Quelle 12 und der Detektor 28 dazu eingerichtet sind, einen weiten oder ausreichenden Überstreichungsbereich längs der z-Achse (d. h. der Achse, die im Wesentlichen der Länge des Patiententisches oder -trägers und/oder der Längsrichtung des Bildgebungstunnels zugeordnet ist) vorzusehen, und/oder bei denen die lineare Bewegung des Patienten oder Objekts nicht erforderlich ist, auf das Linearpositionierungssubsystem 32 verzichtet werden.
Wie dem Fachmann einleuchten wird, kann die Quelle 12 durch einen Röntgenstrahlcontroller 38 geregelt/gesteuert werden, der in dem Systemcontroller 30 angeordnet ist. Der Röntgenstrahlcontroller 38 kann dazu eingerichtet sein, an die Quelle 12 Leistungs- und Zeittaktsignale auszugeben. Darüber hinaus kann der Röntgenstrahlcontroller 30 in einigen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein, die Quelle 12 selektiv zu aktivieren, so dass Röhren oder Emitter an unterschiedlichen Orten innerhalb des Systems 10 miteinander synchron oder voneinander unabhängig betrieben werden können.
Darüber hinaus kann der Systemcontroller 30 ein Datenakquisitionssystem (DAS) 40 aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Detektor 28 mit dem Systemcontroller 30 und spezieller mit dem Datenakquisitionssystem 40 verbunden. Das Datenakquisitionssystem 40 nimmt Daten auf, die durch eine Ausleseelektronik des Detektors 28 gesammelt sind. Das Datenakquisitionssystem 40 nimmt gewöhnlich abgetastete analoge Signale von dem Detektor 28 auf und wandelt die Daten in digitale Signale um, um diese anschließend durch ein prozessorgestütztes System, beispielsweise durch einen Computer 42, zu verarbeiten. In einer Abwandlung kann der Detektor 28 in anderen Ausführungsbeispielen die abgetasteten analogen Signale vor einer Übermittlung an das Datenakquisitionssystem 40 in digitale Signale umwandeln.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Computer 42 mit dem Systemcontroller 30 verbunden. Die durch das Datenakquisitionssystem 40 gesammelten Daten können für eine anschließende Verarbeitung an den Computer 42 übermittelt werden. Beispielsweise kann an den von dem Detektor 28 gesammelten Daten in dem Datenakquisitionssystem 40 und/oder in dem Computer 42 eine Vorverarbeitung und Kalibrierung vorgenommen werden, um Darstellungen der Linienintegrale der Schwächungskoeffizienten des einer Bildgebung unterworfenen Patienten oder Objekts hervorzubringen. In einem Ausführungsbeispiel enthält der Computer 42 Datenverarbeitungsschaltkreise 44, die dazu dienen, die von dem Detektor 28 gesammelten Daten zu filtern und zu verarbeiten.
Der Computer 42 kann einen Speicher 46 enthalten oder mit einem solchen Daten austauschen, der in der Lage ist, durch den Computer 42 bereits verarbeitete Daten, durch den Computer 42 noch zu verarbeitende Daten oder durch den Computer 42 auszuführende Programmroutinen und/oder Algorithmen zu speichern. Es ist selbstverständlich, dass das Bildgebungssystem 10 beliebige rechnerzugänglicher Speichereinrichtungen verwenden kann, die in der Lage sind, die gewünscht Menge oder Art von Daten und/oder Programmcode zu speichern. Darüber hinaus kann der Speicher 46 auf einer oder mehreren Speichereinrichtungen, z. B. magnetischen, Halbleiter- oder optischen Vorrichtungen ähnlichen oder unterschiedlichen Typs basieren, die in Bezug auf das System 10 ortsnah und/oder entfernt angeordnet sein können.
Der Computer 42 kann außerdem dazu eingerichtet sein, Merkmale zu steuern, die durch den Systemcontroller 30 aktiviert werden (z. B. Scanvorgänge und Datenakquisition). Außerdem kann der Computer 42 dazu eingerichtet sein, von einem Anwender Steuerbefehle und Scanparameter über eine Bedienungsworkstation 48 aufzunehmen, die mit einer Tastatur und/oder sonstigen Eingabegeräten ausgerüstet sein kann. Ein Bediener kann dadurch das System 10 über die Bedienungsworkstation 48 steuern. Somit kann der Bediener ein von dem Computer 42 rekonstruiertes Bild und/oder sonstige für das System 10 maßgebende Daten beobachten. Desgleichen kann die Bedienperson über die Bedienungsworkstation 48 Bildgebungs- oder Kalibrierungsprogrammroutinen starten, Bildfilter auswählen und anwenden, und so fort.
Wie zu sehen, kann das System 10 ferner eine Anzeigevorrichtung 50 aufweisen, die mit der Bedienungsworkstation 48 verbunden ist. Darüber hinaus kann das System 10 einen Drucker 52 enthalten, der mit der Bedienungsworkstation 48 verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, solche Spannungsmessergebnisse auszudrucken. Die Anzeigevorrichtung 50 und der Drucker 52 können ferner unmittelbar oder über die Bedienungsworkstation 48 mit dem Computer 42 verbunden sein. Darüber hinaus kann die Bedienungsworkstation 48 ein Bildarchivierungs- und Datenkommunikationssystem (PACS) 54 aufweisen oder damit verbunden sein. Es ist zu beachten, dass das PACS 54 mit einem entfernt angeordneten System 56, einem Informationssystem einer radiologischen Abteilung (RIS, Radiology Department Information System), einem klinischen Datenkommunikationssystem (HIS, Hospital Information System) oder einem internen oder externen Netzwerk verbunden sein kann, so dass weitere Personen an unterschiedlichen Orten auf die Bilddaten zugreifen können.
Unter Berücksichtigung der vorausgehenden allgemeinen Systembeschreibung wird nun auf 2 eingegangen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhrenvorrichtung 58 veranschaulicht ist, die Ausführungsbeispiele der Kathodenanordnung 14 und der Anode 16 enthält, wie sie in 1 gezeigt sind. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Kathodenanordnung 14 und die Targetanode 16 mit einem Kathodentargetabstand d voneinander beabstandet angeordnet und gegeneinander ausgerichtet. Die Kathodenanordnung 14 kann einen Satz von Vorspannungselektroden (d. h. Ablenkelektroden) 60, 62, 64, 66, eine Glühwendel 68, eine Absaugelektrode 69 und eine Abschirmung 70 enthalten, die mit Bezug auf 3 weiter unten näher erläutert ist. Die Anode 16 kann aus einem beliebigen geeigneten Metall oder Verbundstoff hergestellt sein, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Kupfer. Das Oberflächenmaterial der Anode ist gewöhnlich mit Blick auf eine verhältnismäßig hohe Wärmebeständigkeit ausgewählt, um der Temperatur standzuhalten, die durch die auf die Anode 16 auftreffenden Elektronen entsteht. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Anode 16, wie veranschaulicht, eine rotierende Scheibe sein. Dementsprechend kann die Anode 16 mit einer hohen Drehzahl (z. B. 1.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute) gedreht werden, um die einfallende Wärmeenergie zu verteilen und um eine höhere Temperaturtoleranz zu erreichen. Die Rotation der Anode 16 führt dazu, dass die Temperatur des Brennflecks 72 (d. h. der Stelle auf der Anode, auf der die Elektronen auftreffen) bei einem tieferen Wert gehalten wird, als der Fall wäre, wenn die Anode 16 nicht gedreht wird, so dass dadurch die Nutzung von Ausführungsbeispielen mit Hochflussröntgenstrahlen gestattet ist.
Die Kathodenanordnung 14, d. h. die Elektronenquelle, ist mit einem Kathodentargetabstand d von der Anode 16 beabstandet angeordnet, so dass der durch die Kathodenanordnung 14 erzeugte Elektronenstrahl 18 in einen Brennfleck 72 auf der Anode 16 fokussiert wird. Der Raum zwischen der Kathodenanordnung 14 und der Anode 16 ist gewöhnlich evakuiert, um Zusammenstöße von Elektronen mit anderen Atomen zu minimieren, und um ein elektrisches Potential zu maximieren. Zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 wird gewöhnlich ein starkes, in einigen Fällen über 20 kV betragendes elektrisches Potential erzeugt, das bewirkt, dass Elektronen, die durch die Kathode 14 aufgrund des thermionischen Effekts emittiert sind, von der Anode 16 stark angezogen werden. Der sich ergebende Elektronenstrahl 18 ist in Richtung der Anode 16 gerichtet. Der sich ergebende Elektronenbeschuss des Brennflecks 72 erzeugt dann aufgrund des Bremsstrahlungseffekts, d. h. des Abbremsens der Strahlung, einen Röntgenstrahl 20.
Der Abstand d ist ein Faktor bei der Bestimmung der Eigenschaften des Brennflecks 72, beispielsweise seiner Länge und Breite, und somit auch der Bildgebungsfähigkeiten des erzeugten Röntgenstrahls 20. Falls der Abstand d zu groß ist, wird eine zu geringe Anzahl von Elektronen auf die Anode 16 einfallen, und/oder der Elektronenstrahl 18 wird zu stark streuen, um einen geeignet bemessenen Röntgenstrahl 20 zu erzeugen. Die sich ergebenden Röntgenbilder können Unschärfen oder andere Bildgebungsartefakte aufweisen. Herkömmlich wurde der Abstand d bisher mit weniger als etwa 50 mm bemessen, um einen kleinen Brennfleck (von z. B. weniger als etwa 0,25 mm² oder kleiner) zu definieren, der in der Lage ist, einen geeigneten Röntgenstrahl 20 zu erzeugen. Die hierin beschriebenen und weiter unten mit Bezug auf die Figuren detaillierter erörterten Ausführungsbeispiele erlauben es, den Abstand d mit etwa 50 mm oder größer zu bemessen. In der Tat ermöglichen die offenbarten Ausführungsbeispiele sehr kleine Brennfleckabmessungen bei größeren Kathodentargetabständen und ermöglichen somit die Unterbringung weiterer Vorrichtungen, z. B. eines Elektronenkollektors oder von Strahllenkmagneten, in der Röntgenröhrenvorrichtung 58.
In speziellen Ausführungsbeispielen ist die Absaugelektrode 69 enthalten, und sie ist zwischen der Kathodenanordnung 14 und der Anode 16 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Absaugelektrode 69 nicht enthalten. Falls die Absaugelektrode enthalten ist, kann sie auf dem Potential der Anode 16 gehalten sein, das in manchen Fällen 20 kV überschreitet. Die Absaugelektrode 69 weist eine Öffnung 71 auf. Die Öffnung 71 gestattet es Elektronen, die Absaugelektrode 69 zu durchqueren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Absaugelektrode mit einem Kathodenelektrodenabstand e von der Kathodenanordnung 14 beabstandet angeordnet. Der Kathodenelektrodenabstand e ist ebenfalls ein Faktor bei der Bestimmung der Eigenschaften des Brennflecks 72, beispielsweise der Länge und Breite, und somit der Bildgebungsfähigkeiten des erzeugten Röntgenstrahls 20. Die Elektronen werden über die Strecke e beschleunigt und bewegen sich über die Strecke d–e ohne Beschleunigung. Falls der Abstand e zu groß ist, wird eine unzureichende Anzahl von Elektronen auf die Anode 16 einfallen, und/oder der Elektronenstrahl 18 kann zu sehr streuen, um einen geeignet bemessenen Röntgenstrahl 20 zu erzeugen. Die sich ergebenden Röntgenbilder können Unschärfen oder andere Bildgebungsartefakte aufweisen. Herkömmlich wurde der Abstand e bisher mit weniger als etwa 50 mm bemessen, um einen kleinen Brennfleck (z. B. kleiner als etwa 0,25 mm² oder kleiner) zu bilden, der in der Lage ist, einen angemessenen Röntgenstrahl 20 zu erzeugen. Die hierin beschriebenen und weiter unten mit Bezug auf die Figuren detaillierter erörterten Ausführungsbeispiele erlauben es, den Abstand e mit etwa 15 mm bis über 50 mm zu bemessen.
Mit Bezug auf 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenstrahlkathodenanordnung 14 veranschaulicht, bei dem die Glühwendel 68 eine beschichtete ebene thermionische Glühwendel ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Glühwendel 68 eine Beschichtung 74 auf, die auf ein Substrat 76 aufgebracht ist. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 74 auf Materialien wie Hafniumkarbid, Tantalkarbid, Hafniumdiborid, Zirkoniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Zirkoniumnitrid, Wolframdiborid und deren Derivate basieren, und auf das Substrat 76, wie nachfolgend mit Bezug auf 4–6 näher erläutert, aufgetragen sein. Das Substrat 76 kann in Form einer Scheibe oder eines Rechtecks aus einem Material wie Wolfram oder Tantal hergestellt sein. Es versteht sich, dass das Substrat 76 andere Formen aufweisen kann, beispielsweise auf einem Draht, einem gewickelten Draht, einer gekrümmten Scheibe, einer ebenen Scheibe, und so fort, basieren kann.
Es kann eine Beschichtung 74 ausgewählt werden, die eine geringere Austrittsarbeit als diejenige des Substrats 76 aufweist. D. h., die für die Freigabe von Elektronen der Beschichtung 74 erforderliche thermische Energie kann geringer sein, als diejenige, die für das Substrat 76 vorausgesetzt ist. In Ausführungsbeispielen von Glühwendeln, bei denen die Beschichtung eine Austrittsarbeit von etwa 3,5 Elektronenvolt (eV) aufweist, kann die Stromdichte emittierter Elektronen (d. h. eine Maßzahl, die die Anzahl und Dichte von Elektronen kennzeichnet, die pro Flächenbereich der Glühwendel emittiert werden) im Vergleich zu einer herkömmlichen unbeschichteten Wolframglühwendel bei derselben Temperatur in der Tat um einen Faktor von etwa Hundert besser sein. Die beschichtete Glühwendel 68 kann also im Vergleich zu dem durch eine herkömmliche Glühwendel erzeugten Elektronenstrahl bei derselben Temperatur erheblich mehr Elektronen und einen stärkeren Elektronenstrahl 18 hervorbringen. Eine Beschichtung, die eine Austrittsarbeit von weniger als etwa 4,5 eV aufweist, kann in der Tat eine Glühwendel 68 ergeben, die im Vergleich zu dem durch eine herkömmliche Glühwendel erzeugten Elektronenstrahl bei derselben Temperatur einen stärkeren Elektronenstrahl 18 erzeugt. Darüber hinaus kann die Beschichtung 74 ausgewählt werden, um gegenüber gewissen, möglicherweise in der Röntgenröhrenvorrichtung 58 vorhandenen Gasen, sowie gegenüber Beschuss durch zurückprallende Ionen (z. B. abprallende Elektronen) beständig zu sein, was eine Beschichtung 74 ergibt, die eine lange Betriebslebensdauer aufweist.
Weiter kann die thermionische Temperatur der Glühwendel 68 (d. h. die Temperatur, bei der Elektronenemissionen auftreten) geregelt werden, so dass die Beschichtung 74, und nicht das Substrat 76, als die primäre Emissionsschicht des Elektronenstrahls 18 wirken kann. Eine Beschichtung 74, die eine geringere Austrittsarbeit aufweist, wird Elektronen bei einer niedrigeren Temperatur emittieren als ein Substrat mit einer höheren Austrittsarbeit. Dementsprechend kann die Temperatur der Glühwendel 68 bei einem Wert eingestellt werden, der beispielsweise um 400°C niedriger ist als der für eine herkömmliche Glühwendel vorgegebene Wert. Aufgrund der geringeren Austrittsarbeit der Beschichtung 74 wird diese bei der geringeren Temperatur Elektronen ausstrahlen. Ein Verwenden niedrigerer Betriebstemperaturen kann außerdem mit Blick auf eine Verlängerung der Lebensdauer der beschichteten Glühwendel 68 vorteilhaft sein. Ein Ausfall der Glühwendel 68 wird bisher gewöhnlich aufgrund von Verdampfung des Materials der Glühwendel 68 während des thermionischen Betriebs beschleunigt. Unter Hochvakuumbedingungen, wie sie beispielsweise innerhalb der Röntgenröhrenvorrichtung 58 vorliegen, kann ein Materialverlust proportional zu dem Dampfdruck des verdampfenden Materials sein. Der Dampfdruck der Ausführungsbeispiele, die die Beschichtung 74 verwenden, beispielsweise Beschichtungen 74, die auf Hafniumkarbid, Tantalkarbid, Hafniumdiborid, Zirkoniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Zirkoniumnitrid und/oder Wolframdiborid basieren, kann in manchen Fällen bei derselben thermionischen Emissionsdichte sechs mal geringer sein als derjenige herkömmlicher Wolframglühwendeln. Somit kann die Lebensdauer der beschichteten Glühwendel 68 beträchtlich gesteigert werden, da die Glühwendel 68 eine geringere Materialverdampfung aufweisen kann.
Ein weiterer Vorteil einer Nutzung chemischer Stoffe wie Hafniumkarbid, Tantalkarbid, Hafniumdiborid, Zirkoniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Zirkoniumnitrid, Wolframdiborid und deren Derivate, basiert darauf, dass die sich ergebende Beschichtung 74, nachdem sie an dem Substrat 76 angebracht ist, sehr stabil sein kann. D. h., die Glühwendel 68 kann hohen Temperaturen ausgesetzt werden, beispielsweise Temperaturen, die etwa 2500°C überschreiten, ohne dass die Beschichtung 74 schmilzt oder Legierungen oder Lösungen mit dem zugrundeliegenden Substrat 76 bildet. In der Tat kann die Beschichtung 74 einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Substrat 76, beispielsweise Schmelzpunkte, die etwa 3400°C überschreiten. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele der Beschichtung 74 eine kongruente Verdampfung aufweisen, d. h. das Verhältnis gewisser chemischer Stoffe in der Beschichtung, beispielsweise das Verhältnis von Hafnium zu Kohlenstoff, kann während der Verdampfung konstant bleiben. Dementsprechend kann nur eine geringe oder überhaupt kein Änderung der thermionischen Elektronenemissionen aufgrund von Änderungen der chemischen Zusammensetzung auftreten.
3 veranschaulicht außerdem die beschichtete Glühwendel 68, die von vier Vorspannungselektroden umgeben ist, nämlich von der innenliegenden Längen-(L-ib)-Vorspannungselektrode 60, der rechten Breite-(W-l)-Vorspannungselektrode 62, der außenliegenden Längen-(L-ob)-Vorspannungselektrode 64 und der rechten Breiten-(W-r)-Vorspannungselektrode 66, die als eine Elektronenfokussierungslinse genutzt werden können. Eine Abschirmung 70 kann positioniert sein, um die Vorspannungselektroden 60, 62, 64, 66 zu umgeben, und kann mit dem Kathodenpotential verbunden sein. Die Abschirmung 70 kann beispielsweise dazu beitragen, Spitzen elektrischer Felder zu verringern, die aufgrund scharfer Merkmale der Elektrodengeometrie auftreten, und auf diese Weise die Hochspannungsstabilität verbessern. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel umgibt die Abschirmung 70 auch die Beschichtung 74. Wie oben erwähnt, kann die Temperatur der ebenen Glühwendel 68 geregelt werden, so dass ein Hauptteil der Elektronen aus der Beschichtung 74 und nicht aus dem Substrat der Glühwendel 68 emittiert wird. Dementsprechend kann der Hauptteil der Elektronen in einer Richtung austreten, die senkrecht zu dem ebenen Bereich verläuft, der durch die Beschichtung 74 definiert ist. Somit ist der sich ergebende Elektronenstrahl 18 von den Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 umgeben. Die Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 können durch die Verwendung einer aktiven Manipulation des Strahls dazu beitragen, den Elektronenstrahl 18 in einen sehr kleinen Brennfleck 72 auf der Anode 16 zu fokussieren. D. h., die Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 können jeweils ein Dipolfeld erzeugen, um den Elektronenstrahl 18 elektrisch abzulenken. Die Ablenkung des Elektronenstrahls 18 kann in diesem Fall genutzt werden, um ein Zielen auf den Brennfleck des Elektronenstrahls 18 zu unterstützen. Die Breitenvorspannungselektroden 62, 66 können genutzt werden, um es zu erleichtern, die Breite des sich ergebenden Brennflecks 72 zu definieren, während die Längenvorspannungselektroden 60, 64 genutzt werden können, um eine Definition der Länge des sich ergebenden Brennflecks 72 zu erleichtern. Durch Kombinieren einer geformten emissiven Beschichtung, wie sie beispielsweise in 4 dargestellt ist, mit der Nutzung von Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 kann eine in hohem Maße verbesserte Fokussierungsleistung im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsbeispielen einer Röntgenstrahlglühwendel erzielt werden. In der Tat erlaubt die Verwendung der Beschichtung 74 allein oder der Beschichtung 74 in Kombination mit Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66, einen angemessenen Brennfleck 72 über einen Bereich von Kathodentargetabständen zu erzielen, die größer als 40 mm und kleiner als 200 mm sind.
Mit Bezug auf 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Glühwendel 68 veranschaulicht, die teilweise beschichtet ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 74 in einem rechtwinkligen Muster angebracht oder in sonstiger Weise ausgebildet, und in dem Zentrum des Substrats 76 angeordnet. Es ist einzusehen, dass die Beschichtung 74 in anderen Ausführungsbeispielen das Substrat 76 vollständig bedecken kann oder eine andere Gestalt aufweisen kann. In der Tat kann eine beliebige Anzahl von Formen oder Anordnungen der Beschichtung auf dem Substrat 76 angebracht sein. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 74 durch chemisches Aufdampfen (CVD), durch Sprühen oder durch sonstige Beschichtungstechniken erzeugt sein. Es können auch andere Techniken, beispielsweise Pulverpressen, hochenergetisches Kugelmahlen und/oder Sintern verwendet werden, um die beschichtete Glühwendel 68 herzustellen. Eine weitere Herstellungstechnik kann die Verwendung von Hochtemperaturkarbonisierung beinhalten. Im Falle von Hochtemperaturkarbonisierung kann ein chemischer Beschichtungsstoff, beispielsweise Hafnium, in einer gewissen Form bzw. Muster auf der Glühwendel 68 angebracht sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die Glühwendel 68 anschließend durch eine externe Quelle, beispielsweise einen Ofen erwärmt werden. In noch einem Ausführungsbeispiel kann die Glühwendel 68 anschließend bei einer hohen Temperatur betrieben werden und ihre eigene Wärme erzeugen. In beiden Ausführungsbeispielen kann die Erwärmung der Glühwendel eine Karbonisierung von Hafnium zu Hafniumkarbid zur Folge haben und somit eine Hafniumkarbidbeschichtung 74 erzeugen. Es ist einzusehen, dass auch andere chemische Stoffe, beispielsweise Tantal und Zirkonium, in Verbindung mit der Technik der Hochtemperaturkarbonisierung eingesetzt werden können. Weitere Herstellungstechniken, die genutzt werden können, um eine Form oder ein Muster der Beschichtung 74 zu bilden, beinhalten Mikrochipfertigungstechniken, beispielsweise Photolithographie, Photomaskierung, Mikrolithographie, und so fort.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel von 4 ist eine rechtwinklige Beschichtung 74 auf dem Substrat 76 angeordnet, so dass Abschnitte der Ränder von Substrat, die eine Breite w aufweisen, unbeschichtet bleiben. Wie oben erwähnt, kann die thermionische Temperatur der Glühwendel 68 so geregelt werden, dass der Elektronenstrahl 18 erzeugt wird, indem die Beschichtung 74 als primäre Emissionsfläche genutzt wird. Somit kann der Wert für die Breite w des unbeschichteten Rands des Substrats 76 ausgewählt werden, um die Eigenschaften der Fokussierbarkeit des Elektronenstrahls der Röntgenröhre zu optimieren. Die Fokussierbarkeit des Elektronenstrahls kann optimiert werden, indem der Wert für die Breite w so ausgewählt wird, dass ein Hauptteil der emittierten Elektronen bei einem gewünschten Brennfleck 72 auf die Anode 16 auftrifft. Da die Ränder des Substrats 76 unbeschichtet belassen sind, können darüber hinaus, wenn überhaupt, nur sehr wenige Elektronen von den Seiten des Substrats 76 abgestrahlt werden. Der Anteil an ungenutzten Elektronen ist somit auf ein Minimum beschränkt, da ein beträchtlicher Teil der Elektronen nun auf die Targetanode 16 gelenkt und nicht von der Targetanode 16 weg gelenkt werden.
Mit Bezug auf 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Glühwendel 68 veranschaulicht, bei dem die Beschichtung 74 als ein Rastermuster auf dem Substrat 76 angeordnet ist. In der Tat kann eine beliebige Anzahl von Mustern, beispielsweise das veranschaulichte Rastermuster, genutzt werden. Ein Muster kann beispielsweise ausgewählt sein, um mehrere Modalitäten eines Brennflecks 72 zu ermöglichen. In einer Modalität kann die thermionische Temperatur so geregelt werden, dass ein Hauptteil der Elektronen ausschließlich durch die Beschichtung 74 emittiert wird. In einer anderen Modalität kann die thermionische Temperatur so geregelt werden, dass die Elektronen sowohl durch die Beschichtung 74 als auch durch das Substrat 76 emittiert werden. Dementsprechend können mittels einer einzelnen beschichteten Glühwendel 68 zwei Brennflecke erzeugt werden. Der erste Brennfleck kann durch die von der Beschichtung 74 ausgehenden Emissionen erzeugt werden, während der zweite Brennfleck durch die Kombination von Emissionen erzeugt werden kann, die von der Beschichtung 74 und von dem Substrat 76 ausgehen. Die Fähigkeit, die Beschichtung in einem beliebigen Muster zu gestalten, ermöglicht daher eine Flexibilität des Brennflecks 72, indem beispielsweise zwei Brennflecke 72 mit einer einzigen Glühwendel 68 erzeugt werden.
In speziellen Ausführungsbeispielen, die zum Erzeugen mehrere Brennflecke 72 nützlich sind, wird die einzelne Glühwendel 68 in Kombination mit einer oder mehreren Vorspannungselektrode 60, 62, 64, 66, verwendet. In diesen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Vorspannungselektroden 60, 62, 64, 66 den Elektronenstrahl aktiv in einen oder mehrere Brennflecke 72 hinein ablenken. Beispielsweise können eine oder mehrere Vorspannungselektroden 60, 62, 64, 66 einen ersten breiten Brennfleck 72 durch eine Minimierung des Dipolfelds definieren. Ein zweiter, schmalerer Brennfleck 72 kann durch Verstärkung des Dipolfelds definiert werden. In der Tat können durch eine aktive Manipulation des Dipolfelds beliebig viele Brennflecke unterschiedlicher Art gebildet werden.
In noch weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere Glühwendeln 68 genutzt werden, um mehrere Brennflecke 72 zu definieren. Jede der mehreren Glühwendeln 68 kann basierend auf Eigenschaften der Glühwendel, zu denen Abmessung, Form, Beschichtungsmuster, thermionische Temperatur, und so fort gehören, einen Brennfleck 72 definieren. Es können also mehrere Glühwendeln 68 genutzt werden, um verschiedene Arten von Brennflecken 72 zu definieren, beispielsweise Brennflecke 72, die unterschiedliche Oberflächengrößen aufweisen. Darüber hinaus können die Ausführungsbeispiele, die mehrere Glühwendeln 68 verwenden, die Nutzung einer oder mehrerer Vorspannungselektroden 60, 62, 64, 66 kombinieren, um die Definition und Erzeugung der mehreren Brennflecke 72, wie im Vorausgehenden beschrieben, zu erleichtern.
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Glühwendel 68, bei dem die Glühwendel 68 eine mit Schlitzen ausgebildete, ebene Glühwendel 68 ist. Auf dem Substrat 76 der Glühwendel 68 sind mehrere Schlitze 77 angeordnet, die eine Glühwendel 68 hervorbringen, die im Wesentlichen eine Zickzackgestalt aufweist. Die Schlitze 77 reduzieren den Querschnitt der Glühwendel 68. Dementsprechend kann ein Heizstrom, der in der Lage ist, die Glühwendel 68 zu erhitzen, erheblich (d. h. auf Werte, die etwa 20 A unterschreiten) verringert werden, da der Heizstrom durch den verringerten Querschnitt fließt. Eine solche Verringerung des Heizstroms kann einen gesteigerten Wirkungsgrad und eine höhere Lebensdauer der Glühwendel 68 zur Folge haben. In dem Substrat 76 sind zwei Öffnungen 79 ausgebildet, um ein Befestigen des Substrats 76 an der Kathodenanordnung 14 zu erleichtern.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel von 6 wurde die Beschichtung 74 in Form mehrerer Rechtecke auf dem Substrat 76 angeordnet. Wie oben erwähnt, kann die Beschichtung 74 für die Emission von Elektronen genutzt werden, indem die thermionische Temperatur der Glühwendel 68 so geregelt wird, dass ein Hauptteil von Elektronen ausschließlich durch die Beschichtung 74 emittiert werden. Es ist einzusehen, dass die Beschichtung 74 und die oben beschriebenen Beschichtungsmuster auf Ausführungsbeispielen anderer Glühwendeln angeordnet sein können, z. B. auf Ausführungsbeispielen, die gewickelte Glühwendeln verwenden, wie weiter unten mit Bezug auf 7 näher erläutert.
7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer gewickelten Glühwendel 78, bei der die Beschichtung 74 auf der dem Target zugewandten Fläche des Drahtsubstrats 80 angeordnet ist. Eine herkömmliche gewickelte Glühwendel emittiert gewöhnlich Elektronen über die gesamte Oberfläche der gewickelten Glühwendel. Dementsprechend wird eine beträchtliche Menge von Energie verbraucht, um von Abschnitten des Drahts der herkömmlichen Glühwendel Elektronen zu emittieren, die nicht in Richtung der Anode 16 gezielt sind. In der Tat sind ein Mehrzahl der Oberflächen der herkömmlichen gewickelten Glühwendel, z. B. die oberen Flächen der unteren Wicklungen der gewickelten Glühwendel 78, gewöhnlich von der Targetanode 16 wegführend ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ermöglichen die offenbarten Ausführungsbeispiele, die Beschichtung 74 auf dem Drahtsubstrat 80 so anzuordnen, dass die Beschichtung 74 immer der Anode 16 zugewandt ist.
Wie oben erwähnt, kann die Temperatur der gewickelten Glühwendel 78 so geregelt werden, dass die Beschichtung 74 als die primäre Emissionsschicht arbeitet. Dementsprechend kann durch ein Platzieren der Beschichtung 74 auf der Stirnfläche der Anode 16 ein beträchtlicher Teil der emittierten Elektronen 18 auf einen sehr kleinen Brennfleck auf der Anode 16 einfallen. Die beschichtete gewickelte Glühwendel 78 ist somit in der Lage, im Vergleich zu einer herkömmlichen gewickelten Glühwendel eine bessere Fokussierungsleistung und einen größeren Kathodentargetabstand zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die beschichtete gewickelte Glühwendel 78 im Vergleich zu herkömmlichen gewickelten Drahtglühwendeln eine längere Lebensdauer erreichen. Die Verdampfungseigenschaften der Beschichtung 74 erlauben eine geringere Verdampfung von Material, so das die Lebensdauer der Glühwendel 78 gesteigert ist. In der Tat können sämtliche hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele von Glühwendeln, beispielsweise die gewickelte Glühwendel 78, längere Lebensdauern erzielen.
Mit Bezug auf 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines geradlinigen Glühdrahts 82 veranschaulicht, der in einer Reflektorschale 84 positioniert ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Drahtsubstrat 80 nicht gewickelt, sondern ist ein geradliniger Draht. Die Beschichtung 74 kann auf der der Anode zugewandten Seite des Drahtsubstrats 80 angeordnet werden, und das Drahtsubstrat 80 kann anschließend in der Reflektorschale 84 angeordnet werden. Die Reflektorschale 84 erleichtert ein Fokussieren des Elektronenstrahls 18 durch passives Formen des Elektronenstrahls 18. Das passive Formen des Elektronenstrahls 18 kann durch eine geometrische Form der Schale 84, eine Position der Glühdrahtwendel 82 in der Schale und/oder eine Anordnung der Beschichtung 74 auf dem Drahtsubstrat 80 erreicht werden. Beispielsweise können die gekrümmten Abschnitte 85 der Schale 84 nach außen gekrümmt sein, um einen breiteren Strahl 18 zu bilden, oder nach innen gekrümmt sein, um einen schmaleren Strahl 18 zu bilden. Der Glühdraht 82 kann in der Schale 84 weiter oben angeordnet sein, um einen breiteren Strahl 18 zu bilden, oder weiter unten in der Schale 84 angeordnet sein, um einen schmaleren Strahl 18 zu bilden. Die Beschichtung 74 kann auf einem größeren Abschnitt der Oberfläche der Glühdrahtwendel 82 angeordnet sein, um einen breiteren Strahl 18 zu bilden, oder sie kann auf einem kleineren Abschnitt der Oberfläche der Glühdrahtwendel 82 angeordnet sein, um einen schmaleren Strahl zu bilden. In der Tat können beliebige Formen einer Schale 84, Positionen eines Glühdrahts 82 und/oder Anordnungen einer Beschichtung verwendet werden, um durch passives Formen des Elektronenstrahls 18 unterschiedliche Brennflecke 72 zu erzielen. Es ist einzusehen, dass eine beliebige Anzahl von Ausführungsbeispielen beschichteter Glühwendeln, z. B. der in 2, 3, 4, 5 und 6 beschriebenen ebenen Glühwendel 68, in Verbindung mit einer Reflektorschale wie der Schale 84 verwendet werden können. In der Tat können die offenbarten Ausführungsbeispiele einer beschichteten Glühwendel in Verbindung mit der Reflektorschale 84 und/oder mit den in 2 und 3 gezeigten Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 verwendet werden.
Mit Bezug auf 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines Glühdrahtemitters 86, der auf einer gekrümmten Scheibe basiert, mit einer Beschichtung 74 veranschaulicht, die für Emissionen genutzt werden kann, die auf indirekter Erwärmung basieren. Elektronen können von einem Material unabhängig von der Art der Erwärmung des Materials abgestrahlt werden. Das Material kann mittelbar oder unmittelbar erwärmt werden, beispielsweise indem das Material selbst mit Elektronen beschossen wird. D. h., es kann die Elektronenemission selbst genutzt werden, um eine Erwärmung hervorzurufen, die zu einem thermionischen Effekt und zu einer zusätzlichen Elektronenemission führt. Wie zu sehen, kann eine Elektronenquelle 88, beispielsweise ein unmittelbar erwärmter Wolframdraht, einen Elektronenstrahl 90 emittieren und den Elektronenstrahl 90 lenken, um ihn auf der Rückseite der gekrümmten Scheibenglühwendel 86 zu fokussieren. Der Elektronenstrahl 90 kann auf die gekrümmte Scheibenglühwendel 86 auftreffen und eine Steigerung der Temperatur der gekrümmten Scheibenglühwendel 86 bewirken. Die Wärme in der gekrümmten Scheibenglühwendel 86 kann anschließend, beispielsweise durch Wärmeleitung, auf die Beschichtung 74 übertragen werden. Dementsprechend kann die Beschichtung 74 bis zu dem Punkt erwärmt werden, an dem die Beschichtung 74 aufgrund des thermionischen Effekts Elektronen emittiert. In der Tat kann in speziellen Ausführungsbeispielen, bei denen ein Draht als die Elektronenquelle 88 dient, die Zahl der Elektronen, die durch die Beschichtung 74 hervorgebracht wird größer sein, als die Anzahl von Elektronen, die durch den Draht erzeugt werden.
Das gekrümmte Substrat 87 des gekrümmten Scheibenemitters 86 kann geformt sein, um einen Elektronenstrahl 18 zu erzeugen, der optimal in einen sehr kleinen Brennfleck 72 fokussiert ist. Somit kann eine Krümmung (d. h. Steigung) des gekrümmten Substrats 87 auf der Grundlage einer gewünschten Abmessung und eines Abstands zu dem Brennfleck 72 berechnet werden. Eine Vergrößerung der Steigung des gekrümmten Substrats 87 wird den Elektronenstrahl 18 in einen kleineren, näheren Brennfleck 72 fokussieren. Ein Verringern der Steigung des gekrümmten Substrats 87 wird den Elektronenstrahl 18 in einen größeren, weiter entfernten Brennfleck 72 fokussieren. In ähnlicher Weise kann die Beschichtung 74 auch ein Fokussieren des Elektronenstrahls 18 erleichtern. Beispielsweise wird ein Beschichten einer größeren Fläche des Substrats 87 einen kräftigeren Elektronenstrahl 18 zur Folge haben, der auf einem geringfügig größeren Brennfleck 72 auftreffen kann. Darüber hinaus kann der gekrümmte Emitter 86 in einer Reflektorschale 84 angeordnet sein und/oder er kann in Verbindung mit den in 2 und 3 gezeigten Vorspannungselektroden 60, 62, 64 und 66 verwendet werden, um die Fokussierungsleistung zu verbessern.
Es ist einzusehen, dass die offenbarten Röntgenkathoden und die sich ergebenden Röntgenröhrenvorrichtungen in bestehenden Bildgebungssystemen nachgerüstet werden können. D. h., eine Röntgenröhre, die die Kathode der offenbarten Ausführungsbeispiele enthält, kann eine herkömmliche Röntgenröhre ersetzen. Es ist möglicherweise außer dem Austausch der Röntgenröhre keine weitere Änderung des umgerüsteten Bildgebungssystem erforderlich. Im Falle von Nachrüstungen, wo möglicherweise eine weitere Optimierung, beispielsweise eine Senkung der Betriebstemperaturen, gewünscht ist, kann der Antrieb des umgerüsteten Bildgebungssystems modifiziert werden.
Technische Effekte der Erfindung beinhalten die Fähigkeit, den Kathodentargetabstand zu erhöhen, die Fähigkeit, die Brennfleckabmessung zu verringern, eine wesentliche Steigerung der Erzeugung von Röntgenstrahlung bei Verwendung herkömmlicher Energieniveaus, und eine Glühwendel mit einer längeren Lebensdauer. Eine Vergrößerung des Kathodentargetabstands erlaubt die Anordnung weiterer Vorrichtungen, z. B. eines Elektronenkollektors oder von Strahlhandhabungsmagneten, im Innern von Röntgenröhrenvorrichtungen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen zusätzliche Fokussierungssysteme, Modalitäten und Techniken, die die Qualität und Leistung eines Elektronenstrahl erheblich verbessern.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, 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.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten Ausführungsbeispiele, beispielsweise ein Röntgenkathodenglühwendelsystem. Das Röntgenkathodenglühwendelsystem weist ein Substrat und eine Beschichtung 74 auf, die auf dem Substrat angeordnet ist. In diesem Kathodenglühwendelsystem wird ein Elektronenstrahl 18, 90 von der Beschichtung 74, jedoch nicht von dem Substrat abgestrahlt. Der Elektronenstrahl 18, 90 wird unter Nutzung des thermionischen Effekts erzeugt.
Bezugszeichenliste

10: Bildgebungssystem
12: Röntgenstrahlenquelle
14: Kathodenanordnung
16: Anode
18: Elektronenstrahl
20: Röntgenstrahl
22: Kollimator
24: Person
26: Geschwächter Anteil
28: Bezugszeichen
30: Systemcontroller
32: Linearpositionierungssubsystem
34: Rotationssubsystem
36: Antriebscontroller
38: Röntgenstrahlcontroller
40: Datenakquisitionssystem
42: Computer
44: Datenverarbeitungsschaltkreis
46: Speicher
48: Bedienungsworkstation
50: Anzeigevorrichtung
52: Drucker
54: Bildarchivierungs- und Datenkommunikationssystem (PACS)
56: Entfernt angeordnetes System
58: Röntgenröhrenvorrichtung
60: Vorspannungselektrode
62: Vorspannungselektrode
64: Vorspannungselektrode
66: Vorspannungselektrode
68: Glühwendel
69: Absaugelektrode
70: Abschirmung
71: Öffnung
72: Brennfleck
74: Beschichtung
76: Substrat
77: Schlitze
78: Glühwendel
79: Öffnungen
80: Substrat
82: Glühwendel
84: Reflektorschale
85: Gekrümmte Abschnitte
86: Gekrümmte Scheibenglühwendel
87: Gekrümmtes Substrat
88: Elektronenquelle
90: Elektronenstrahl

Claims

Röntgenkathodensystem, zu dem gehören: ein Substrat; und eine Beschichtung (74), die auf dem Substrat angeordnet ist; wobei ein Elektronenstrahl (18, 90) durch einen thermionischen Effekt von der Beschichtung (74) und nicht von dem Substrat abgestrahlt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (74) wenigstens auf Hafniumkarbid, Tantalkarbid, Hafniumdiborid, Zirkoniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Zirkoniumnitrid und/oder Wolframdiborid basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das Substrat wenigstens auf Wolfram, Tantal, dotiertem Wolfram und/oder dotiertem Tantal basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf wenigstens einem ebenen Substrat (76), einem gewickelten Substrat (80), einem gekrümmten Substrat (87) und/oder auf einem mit Schlitzen ausgebildeten Substrat (77) basiert.
System nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (74) das Substrat teilweise bedeckt.
System nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (74) eine Austrittsarbeit aufweist, die kleiner als etwa 4,5 Elektronenvolt (eV) ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (74) einen Schmelzpunkt von mehr als etwa 3400°C aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der thermionische Effekt durch unmittelbares Erhitzen, mittelbares Erhitzen oder eine Kombination davon hervorgerufen wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (74) auf dem Substrat durch chemisches Aufdampfen, Sprühen, Pulverpressen, hochenergetisches Kugelmahlen, Sintern, Hochtemperaturkarbonisierung oder durch eine Kombination davon aufgebracht ist.
Röntgenröhrensystem, zu dem gehören: eine erste Kathodenglühwendel, die eine Beschichtung (74) aufweist, die auf einem Substrat angeordnet ist; und eine Targetanode (16), die mit einem Kathodentargetabstand von der ersten Kathodenglühwendel beabstandet angeordnet ist und dieser zugewandt ist; wobei ein erster Elektronenstrahl (18, 90) durch einen thermionischen Effekt von der ersten Kathodenglühwendelbeschichtung (74) und nicht von dem Substrat emittiert wird und in einen ersten Brennfleck (72) auf der Targetanode (16) hinein beschleunigt wird, um Röntgenstrahlen (20) zu erzeugen.
System nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung (74) wenigstens auf Hafniumkarbid, Tantalkarbid, Hafniumdiborid, Zirkoniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Zirkoniumnitrid und/oder Wolframdiborid basiert, und wobei das Substrat wenigstens auf Wolfram, Tantal, dotiertem Wolfram und/oder dotiertem Tantal basiert.
System nach Anspruch 10, wobei der Kathodentargetabstand einen Abstand von mehr als etwa 40 mm beinhaltet.
System nach Anspruch 10, zu dem wenigstens eine Vorspannungselektrode (60, 62, 64, 66), eine Reflektorschale (84) und/oder eine Kombination davon gehören, wobei die Vorspannungselektrode (60, 62, 64, 66) den ersten Elektronenstrahl (18, 90) aktiv ablenkt, und wobei die Reflektorschale (84) den ersten Elektronenstrahl (18, 90) passiv formt.
System nach Anspruch 10, das eine Absaugelektrode (69) aufweist, die mit einen Kathodenelektrodenabstand von der ersten Kathodenglühwendel beabstandet angeordnet ist, wobei die Absaugelektrode (69) dazu beiträgt, den ersten Elektronenstrahl (18, 90) in einen ersten Brennfleck (72) auf der Targetanode (16) hinein zu beschleunigen.
System nach Anspruch 14, wobei der Kathodenelektrodenabstand einen Abstand von mehr als etwa 15 mm beinhaltet.