-
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.
-
Als Elektronenquelle geeignete Emitter sind als thermionische Emitter (thermische Elektronenemission durch Widerstandsheizung oder durch Laserbestrahlung des Emitters) oder als Feldemitter (durch Feldemission erzeugte Elektronen) ausgebildet.
-
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.
-
Die vorgenannten thermoionischen Emitter werden jeweils durch Widerstandsheizung, d. h. durch Bestromung (Beaufschlagung mit Heizstrom), erhitzt.
-
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. 2.200°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.
-
Der thermoionische Emitter ist an seinen beiden Anschlussbeinchen, über die der Heizstrom zuführbar ist, starr im Kathodenkopf gehaltert.
-
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 Drücke von 100 MPa bis 200 MPa auftreten können. Derartige Verformungen können negative Einflüsse auf die Geometrie und die Lage des emittierten Elektronenstrahls haben, wodurch sich die Geometrie und die Lage 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.
-
Weiterhin kann der filigrane Aufbau der Kathode, insbesondere die Anschlussbeinchen des Emitters und die Stützdrähte des Kathodenkopfes, dazu führen, dass aufgrund der hohen thermischen Belastung an dieser Stelle und aufgrund des sehr engen Abstandes zwischen Kathodenkopf und Emitter (bis zu 0,1 mm) ein Kurzschluss entstehen kann, der zum Totalausfall der Kathode und damit der betreffenden Röntgenröhre führt. Um dies zu vermeiden, wurde bisher der Abstand des eingebauten Emitters zum Kathodenkopf so gewählt, dass auch bei einer hohen thermischen Belastung in der Regel kein Kurzschluss entsteht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Anteil an unerwünschter Streustrahlung bei der Elektronenemission nicht reduziert werden kann.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission bei gleichzeitig geringerer Streustrahlung sowie mit einer längeren Lebensdauer zu schaffen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
-
Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Kathodenkopf, in dem ein Emitter angeordnet ist, der beim Anlegen einer Heizspannung aus einer Emitterfläche Elektronen emittiert. Erfindungsgemäß ist der Emitter durch wenigstens ein Isolationselement vom Kathodenkopf beabstandet gehalten.
-
Da bei der erfindungsgemäßen Kathode der Emitter durch wenigstens ein Isolationselement vom Kathodenkopf beabstandet gehalten ist, hat der Emitter keinen Freiraum mehr, sich unkontrolliert zu bewegen. Damit bleibt die Bewegung des Emitters auf eine thermische Hauptausdehnungsebene beschränkt und die thermisch bedingten Längenausdehnungen des Emitters führen nicht zu einer elastischen und/oder plastischen Verformung des Emitters. Thermische Längenausdehnungen des Emitters üben somit keine negativen Einflüsse auf die Geometrie und die Lage des emittierten Elektronenstrahls aus. Auch Geometrie- und Lageänderungen des Emitters im Kathodenkopf werden zuverlässig verhindert.
-
Da Verformungen, die möglicherweise negative Einflüsse auf die Geometrie und die Lage des emittierten Elektronenstrahls haben, zuverlässig verhindert werden, ist die Geometrie und die Lage des auf der Anode erzeugten Brennflecks konstant und daraus resultierend die Bildqualität gleichbleibend hoch.
-
Das ständige Ein- und Ausschalten des Heizstroms während des Betriebs der Röntgenröhre führt damit zu einer extrem reduzierten mechanischen Dauerwechselbelastung des Emitters, wodurch die Emitter-Lebensdauer und damit die Lebensdauer der Kathode deutlich erhöht werden. Eine Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Kathode besitzt damit eine entsprechend längere Lebensdauer.
-
Aufgrund der auch bei hoher Emittertemperatur deutlich reduzierten mechanischen Belastung kann darüber hinaus eine hohe Elektronenemission über einen relativ langen Zeitraum erzielt werden.
-
Weiterhin wird durch das Isolationselement – trotz eines verringerten Abstands zwischen Emitter und Kathodenkopf – ein Kontakt des Emitters mit dem Kathodenkopf und damit ein Ausfall der Kathode zuverlässig verhindert. Durch den verringerten Abstand zwischen Emitter und Kathodenkopf lässt sich die bei der Elektronenemission entstehende unerwünschte Streustrahlung effektiver abschirmen.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode ist das Isolationselement als ein Bauteil ausgebildet, das den Emitter an einem Außenumfang zumindest teilweise umschließt.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement den Emitter punktuell an einem die Emissionsfläche umschließenden Außenumfang berührt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Endbereich des Emitters vom Kathodenkopf durch wenigstens ein Isolationselement beabstandet ist.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement als Inlay-Element ausgebildet ist. Alternativ dazu ist das Isolationselement von einer auf dem Kathodenkopf angeordneten Isolationsschicht gebildet.
-
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Kathode, besteht das Isolationselement aus Keramik, vorzugsweise aus Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3). Aluminiumoxid weist sehr gute elektrische Isoliereigenschaften, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Temperaturfestigkeit auf. Auch andere Keramik-Werkstoffe, wie z. B. Zirconiumdioxid (ZrO2), sind für die Herstellung des Isolationselements geeignet.
-
Nachfolgend werden drei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf einen Emitter gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
-
2 eine Draufsicht auf einen Emitter gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode,
-
3 eine stirnseitige Ansicht eines Emitters gemäß einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
-
Die in 1 dargestellte Kathode umfasst einen Kathodenkopf 1, in dem ein Emitter 2 angeordnet ist. Der Emitter 2 ist als Flachemitter mit einer rechteckigen Emitterfläche 3 ausgebildet, die die Emissionsfläche für die Emission der Elektronen darstellt.
-
Im Bereich der Emitterfläche 3 weist der Flachemitter 2 mehrere Einschnitte 4 auf, die wechselweise von zwei gegenüberliegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind.
-
Der Flachemitter 2 weist an seinen beiden stirnseitigen Endbereichen 5 und 6 jeweils ein Anschlussbeinchen 7 bzw. 8 auf. Die Anschlussbeinchen 7 und 8 sind derart angeordnet, dass der Flachemitter 2 eine kurze Längsseite 9 und eine lange Längsseite 10 besitzt.
-
Der Flachemitter 2 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform durch ein Isolationselement 11 vom Kathodenkopf 1 beabstandet gehalten.
-
Durch die Anschlussbeinchen 7 und 8, die mit korrespondierenden Aussparungen des Isolationselements 11 zusammenwirken, wird bei dem Flachemitter 2 ein Verdrehen in der Horizontalen und ein Verkippen in der Vertikalen zuverlässig verhindert. Damit ist der Flachemitter 2 auf seine thermische Hauptausdehnungsebene eingeschränkt.
-
Das Isolationselement 11 ist als gemeinsames Bauteil ausgebildet, das den Flachemitter 2 am Außenumfang der Emitterfläche 3 unter Bildung von mehreren Spalten umschließt. Die Spalte zwischen dem Flachemitter 2 und dem Isolationselement 11 sind einerseits erforderlich, um eine thermische Ausdehnung des Flachemitters 2 zu ermöglichen. Andererseits soll durch die Spalte die gewünschte Fixierung des Feldemitters 2 nicht eingeschränkt werden. Die Spalte sind deshalb nur so breit, wie die maximale Wärmeausdehnung des Feldemitters 2 ist. Der Spalt an der langen Längsseite 10 beträgt beispielsweise ca. 0,5 mm und ist damit nur etwa halb so breit, wie der Abstand zwischen Kathodenkopf und Flachemitter gemäß dem Stand der Technik.
-
Das Isolationselement 11 ist formschlüssig und damit spaltfrei sowie kraftschlüssig im Kathodenkopf 1 angeordnet.
-
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Isolationselement 11 aus Keramik und ist als Inlay-Element ausgeführt.
-
Die in 2 dargestellte Kathode umfasst wiederum einen Kathodenkopf 1, in dem ein Flachemitter 2 angeordnet ist, der den gleichen Ausbau wie der Flachemitter gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 besitzt.
-
Der Flachemitter 2 ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform durch ein erstes Isolationselement 12 und zweites Isolationselement 13 vom Kathodenkopf 1 beabstandet gehalten.
-
Das erste Isolationselement 12 und das zweite Isolationselement 13 berühren den Flachemitter 2 punktuell an einem die Emitterfläche 3 umschließenden Außenumfang.
-
Die Spalte zwischen dem Flachemitter 2 und dem ersten Isolationselement 12 und zwischen dem Flachemitter 2 und dem zweiten Isolationselement 13 sind erforderlich, um die unvermeidbare thermische Ausdehnung des Flachemitters 2 zu ermöglichen. Hinsichtlich der Spalte gelten die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 analog.
-
Sowohl das erste Isolationselement 12 als auch das zweite Isolationselement 13 sind form- und kraftschlüssig im Kathodenkopf 1 gehalten.
-
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen das erste Isolationselement 12 und das zweite Isolationselement 13 aus Keramik und sind als Inlay-Elemente ausgeführt.
-
Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung sind die beiden Isolationselemente von jeweils einer Isolationsschicht 14 bzw. 15 gebildet. Die Isolationsschichten 14 und 15 sind auf dem Kathodenkopf 1 angeordnet.
-
Auch bei dieser Variante sind zwischen den Isolationsschichten 14 und 15 (Isolationselemente) Spalte vorgesehen.
-
Wie aus der Beschreibung der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Kathode eine hohe Elektronenemission bei gleichzeitig geringerer Streustrahlung auf und besitzt darüber hinaus eine längere Lebensdauer.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19955845 A1 [0003]
- DE 2727907 C2 [0003]
- DE 102008046721 A1 [0003]
- DE 19914739 C1 [0003]
