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Die Erfindung betrifft einen Emitter.
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Die Lebensdauer eines thermischen Elektronenemitters in einer Röntgenröhre (Flachemitter, Wendelemitter) wird in erster Linie durch die thermisch bedingte Abdampfung des verwendeten Emittermaterials, in der Regel Wolfram, bestimmt. Höhere Lebensdauern können somit entweder durch eine größere Materialdicke des Emitters und/oder eine niedrigere Emittertemperatur erreicht werden. Hierbei bewirkt eine Dickenerhöhung einen linearen Anstieg der Lebensdauer, wohingegen der Einfluss der Temperatur auf die Materialabdampfung einer exponentiellen Abhängigkeit unterliegt.
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Eine Verringerung der Emittertemperatur erfordert eine Vergrößerung der Emissionsfläche und damit der Emitterfläche. Für die Fokussierung der emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl ist damit im Allgemeinen ein höherer Aufwand erforderlich.
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Eine Erhöhung der Materialdicke im Bereich der Emissionsfläche (dickeres Flachemitterblech, größerer Wendeldrahtdurchmesser) erfordert höhere Heizströme und führt zu einer höheren thermischen Trägheit. Bei Flachemittern mit Anschlussbeinchen (nicht direkt geschweißte Flachemitter) ist ein Biegen der Anschlüsse nur bis zu einer bestimmten Emitterdicke möglich. Somit sind einer Erhöhung der Materialdicke Grenzen gesetzt.
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In der
DE 27 27 907 C2 ist ein Flachemitter beschrieben, der einen Grundkörper mit einer rechteckförmigen Emitterfläche aufweist. Der Grundkörper bzw. die Emitterfläche besitzt eine Schichtdicke von ca. 0,05 mm bis ca. 0,2 mm und besteht z.B. aus Wolfram, Tantal oder Rhenium. Bei Wolfram ist es außerdem bekannt, eine Kalium-Dotierung vorzunehmen. Der im Walzverfahren hergestellte Flachemitter weist Einschnitte auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Beim Betrieb der Röntgenröhre wird an den Flachemitter der Kathode Heizspannung angelegt, wobei Heizströme von ca. 5 A bis ca. 20 A fließen und Elektronen emittiert werden, die in Richtung einer Anode beschleunigt werden. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird in der Oberfläche der Anode Röntgenstrahlung erzeugt.
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Durch Form, Länge und Anordnung der seitlichen Einschnitte lassen sich im Flachemitter gemäß der
DE 27 27 907 C2 spezielle Formen der Temperaturverteilung erzielen, da die Erwärmung eines durch Stromdurchgang aufgeheizten Körpers von der Verteilung des elektrischen Widerstandes über den Strompfaden abhängt. Somit wird an Stellen, an denen der elektrisch wirksame Blechquerschnitt des Flachemitters größer ist, weniger Hitze erzeugt als an Stellen mit einem kleineren Querschnitt (Stellen mit einem größeren elektrischen Widerstand).
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Der in der
DE 199 14 739 C1 offenbarte Flachemitter umfasst wiederum einen Grundkörper, der aus gewalztem Wolfram-Blech besteht und in diesem Fall eine kreisförmige Emitterfläche aufweist. Die Emitterfläche ist in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt, die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander beabstandet sind.
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Die
DE 10 2009 005 454 B4 offenbart einen indirekt beheizten Flachemitter. Der Flachemitter umfasst einen Hauptemitter und einen dazu beabstandeten Heizemitter, die beide eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Der Hauptemitter weist eine unstrukturierte Hauptemissionsfläche auf, also eine homogene Emissionsfläche ohne Schlitze. Der direkt geheizte Heizemitter weist eine strukturierte Heizemissionsfläche auf, also eine Emissionsfläche mit Schlitzen oder mäanderförmigen Bahnen. Die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und gegeneinander isoliert.
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Eine Kathode mit einem Wendelemitter (Glühwendel) ist z. B. aus der
DE 199 55 845 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Emitter zu schaffen, der verbesserte Emissionseigenschaften aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Emitter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Emitters sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der Emitter gemäß Anspruch 1 umfasst einen Grundkörper mit wenigstens einer Emissionsfläche. Erfindungsgemäß weist der Grundkörper im Bereich wenigstens einer Emissionsfläche eine Tiefenstrukturierung auf.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Tiefenstrukturierung (dreidimensionale Strukturierung) des Grundkörpers im Bereich wenigstens einer Emissionsfläche entsteht zusätzlich zu der bekannten horizontal (waagrecht) verlaufenden Emissionsfläche wenigstens eine weitere Emissionsfläche, die vertikal (senkrecht) oder in einem anderen vorgebbaren Winkel zur horizontalen Emissionsfläche verläuft.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung erhält man bei gleicher Elektronenemission eine Absenkung der Temperatur und damit eine Lebensdauererhöhung, die ohne eine Vergrößerung der horizontalen Emitterfläche auskommt. Negative Einflüsse auf die Fokussierung des Elektronenstrahls, die aus einer lateralen (horizontalen) Vergrößerung der Emissionsfläche resultieren, treten damit nicht auf. Weiterhin sind bei einer Umstellung auf den erfindungsgemäßen Flachemitter keine konstruktiven Änderungen im Fokuskopf erforderlich.
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Der Emitter gemäß Anspruch 1 kann beispielsweise aus Wolfram, Tantal, Rhenium oder entsprechenden Legierungen hergestellt sein, wobei das Material für den Emitter gegebenenfalls eine entsprechende Dotierung (z.B. Kalium) aufweisen kann.
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Der erfindungsgemäße Emitter kann als direkt beheizter Flachemitter mit wenigstens einer rechteckigen Emissionsfläche (Anspruch 2) oder mit wenigstens einer kreisförmigen Emissionsfläche (Anspruch 3) oder als indirekt beheizter Flachemitter mit einer Hauptemissionsfläche und einer Heizemissionsfläche (Anspruch 4) ausgebildet sein. Auch bei einem als Wendelemitter ausgestalteten Emitter (Anspruch 5) ist die erfindungsgemäße Tiefenstrukturierung vorteilhaft realisierbar.
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Eine Tiefenstrukturierung ausschließlich auf der Vorderseite, die für bestimmte Anwendungsfälle ausreichend sein kann, führt im Bereich der Emissionsfläche zu lokal unterschiedlichen Emitterdicken und damit zu entsprechend unterschiedlichen Temperaturen im Bereich der Emissionsfläche. Gemäß einer besonders vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Emitters weist der Grundkörper deshalb im Bereich der Emissionsfläche sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite eine Tiefenstrukturierung auf (Anspruch 6). Die Tiefenstrukturierung auf der Vorderseite des Grundkörpers dient hierbei der Erhöhung der Elektronenemission bei gleicher Temperatur bzw. der Absenkung der Temperatur bei gleicher Elektronenemission. Die Tiefenstrukturierung auf der Rückseite des Grundkörpers führt im Fall von direkt bestromten Emittern (Widerstandsheizung) demgegenüber zu einer Reduzierung der Temperaturunterschiede im Bereich der Emissionsfläche. Damit führen beide Maßnahmen zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Emitters.
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Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Grundkörper im Bereich der Tiefenstrukturierung eine konstante Dicke aufweist (Anspruch 7). Die Konturen der Tiefenstrukturierung auf der Rückseite sind hierbei versetzt gegenüber den Konturen der Tiefenstrukturierung auf der Vorderseite angeordnet. Die aus beiden Tiefenstrukturierungen resultierende Dickenänderung ist damit über die gesamte Emissionsfläche konstant, so dass sich die Dicke des Grundkörpers im Bereich der Tiefenstrukturierung nicht ändert und somit keine lokalen Unterschiede in der Temperatur der Emissionsfläche entstehen.
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Im Rahmen der Erfindung muss die Tiefenstrukturierung nicht zwingendermaßen eine vorgebbare Kontur aufweisen, vielmehr ist auch eine hinsichtlich Anordnung und Form statisch verteilte Strukturierung möglich.
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Falls jedoch der Grundkörper im Bereich der Tiefenstrukturierung eine konstante Dicke aufweist (Anspruch 7), ist eine Tiefenstrukturierung mit einer vorgebbaren dreidimensionalen Kontur zwingend erforderlich (Anspruch 8). Eine derartige Tiefenstrukturierung mittels einer vorgebbaren dreidimensionalen Kontur ist in bevorzugter Weise als quaderförmige Kontur, z.B. würfelförmige Kontur, ausgeführt (Anspruch 9). Bei einer Tiefenstrukturierung mit einer quaderförmigen Kontur erhält man jeweils zusätzlich zu der waagrecht verlaufenden Emissionsfläche vier senkrecht verlaufende Emissionsflächen.
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Alternativ zu einer quaderförmigen Kontur kann die dreidimensionale Kontur der Tiefenstrukturierung auch pyramidenförmig ausgebildet sein (Anspruch 10). In diesem Fall sind die weiteren Emissionsflächen in einem vorgebbaren Winkel ungleich 90º zur horizontal verlaufenden Emissionsfläche angeordnet.
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Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht im Bereich des Grundkörpers auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Emitters,
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2 eine Vorderseite des Grundkörpers im Bereich der Emissionsfläche,
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3 eine Rückseite des Grundkörpers im Bereich der Emissionsfläche,
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4 die Gesamtdickenänderung des Grundkörpers im Bereich der Emissionsfläche,
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5 eine Seitenansicht des Grundkörpers in einem Randbereich der Emissionsfläche.
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In 1 ist mit 1 ein als Flachemitter ausgeführter Emitter bezeichnet. Der Flachemitter 1 umfasst einen rechteckigen Grundkörper 2 mit einer ebenfalls rechteckigen Emitterfläche 3. Im Bereich der Emitterfläche 3 weist der Grundkörper 2 mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel neun Einschnitte 4 auf, die sich wechselweise von beiden gegenüberliegenden Längsseiten her und quer zur Längsrichtung erstrecken. Die Einschnitte 4 bilden damit auf der Emitterfläche 3 insgesamt acht Stege 5.
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Weiterhin weist der Grundkörper 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel an beiden Stirnseiten der Emitterfläche 3 jeweils eine Montagefläche 6 auf. An den beiden Montageflächen 6 ist der Flachemitter 1 in einem nicht dargestellten Fokuskopf montierbar.
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Auf der Emitterfläche 3 befindet sich wenigstens eine Emissionsfläche 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Flachemitter genau eine Emissionsfläche 7 auf, die sich nahezu über die gesamte Emitterfläche 3 erstreckt.
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Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Grundkörper 2 im Bereich der Emissionsfläche 7 sowohl auf der Vorderseite 21 als auch auf der Rückseite 22 jeweils eine Tiefenstrukturierung 71 bzw. 72 auf.
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Die Tiefenstrukturierung 71 auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 dient hierbei der Erhöhung der Elektronenemission bei gleicher Temperatur bzw. der Absenkung der Temperatur bei gleicher Elektronenemission. Die Tiefenstrukturierung 72 auf der Rückseite 22 des Grundkörpers 2 führt im Fall direkt bestromter Emitter (Widerstandsheizung) demgegenüber zu einer Reduzierung der Temperaturunterschiede im Bereich der Emissionsfläche 7.
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Die Tiefenstrukturierungen 71 und 72 werden nachfolgend in den 2 bis 5 anhand eines in 1 mit 8 bezeichneten Ausschnitts der Emissionsfläche 7 erläutert.
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Die Tiefenstrukturierungen 71 und 72 können beispielsweise durch subtraktive Verfahren (z.B. Laserstrukturierung) und/oder durch additive Verfahren (Siebdruck, 3D-Druck) hergestellt werden. Auch durch eine Kombination verschiedener subtraktiver Verfahren oder verschiedener additiver Verfahren bzw. durch die Kombination von wenigsten einem subtraktiven Verfahren mit wenigstens einem additiven Verfahren können Tiefenstrukturierungen erzeugt werden.
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Bei dem in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Tiefenstrukturierung 71 auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 und die Tiefenstrukturierung 72 auf der Rückseite 22 des Grundkörpers 2 jeweils im Bereich der Emissionsfläche 7 durch eine Laserstrukturierung (Abtragung des Materials mittels Laserstrahl) aufgebracht.
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Die Laserstrukturierungen werden parallel und äquidistant zu den Längsseiten und den Stirnseiten der Emitterfläche 3 bzw. der Emissionsfläche 7 vorgenommen, so dass Konturen mit einem rechteckförmigen Querschnitt entstehen. Die mittels Laserstrahl erzeugten Tiefenstrukturierungen 71 und 72 (Materialabtragungen) erfolgen außerdem rechtwinklig zur Vorderseite 21 bzw. Rückseite 22 des Grundkörpers 2, wodurch dreidimensionale Konturen in Form von Quadern entstehen.
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Für die Erläuterung des Strukturierungsverfahrens wird das in der Mathematik bei Matrizen übliche Schema verwendet, wobei die in den 2 bis 4 waagrecht verlaufenden Konturen in den Zeilen Z1 bis Z12 und die senkrecht verlaufenden Konturen in den Spalten S1 bis S4 angeordnet sind.
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Wie im dargestellten Ausführungsbeispiel anhand 2 erläutert, wird die Tiefenstrukturierung 71 auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 durch eine Laserstrukturierung in den Zeilen Z2, Z4, Z6, Z8, Z10 und Z12 und anschließend in den Spalten S2 und S4 vorgenommen. Die Abtragungsbreite beträgt hierbei jeweils 50 µm und die Abtragungstiefe jeweils 25 µm.
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Die Tiefenstrukturierung 72 auf der Rückseite 22 des Grundkörpers 2 wird gemäß 3 durch eine Laserstrukturierung in den Spalten S1 und S3 mit einer Abtragungsbreite von jeweils 50 µm und einer Abtragungstiefe von jeweils 50 µm vorgenommen. Weiterhin erfolgt eine Laserstrukturierung in den Spalten S2 und S4 mit einer Abtragungsbreite von jeweils 50 µm und einer Abtragungstiefe von jeweils 25 µm.
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Durch die Materialabtragung entsteht damit im Bereich der Emissionsfläche 7 auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 die Tiefenstrukturierung 71 (2) und auf der Rückseite 22 des Grundkörpers 3 die Tiefenstrukturierung 72 (3).
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Aufgrund der identischen Abtragungsbreite für die waagrechte Materialabtragung in den Zeilen Z1 bis Z12 sowie für die senkrechte Materialabtragung in den Spalten S1 bis S4 entstehen Konturen mit einem quadratischen Querschnitt, in dem in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 50 µm.
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Wie aus einem Vergleich der Tiefenstrukturierungen 71 und 72 (2 und 3) ersichtlich ist, sind diese derart versetzt angeordnet, dass die in 4 gezeigte Dickenreduzierung des Grundkörpers 2 aus beiden Tiefenstrukturierungen 71 und 72 im Bereich der Emissionsfläche 7 konstant ist; sie beträgt bei der gezeigten Ausführungsform 50 µm. Da die Dicke des Grundkörpers 2 im Bereich der Emissionsfläche 7 trotz der Tiefenstrukturierungen 71 und 72 konstant ist, ist der die Temperatur der Emissionsfläche 7 bestimmende Widerstand ebenfalls konstant, so dass keine lokalen Ungleichheiten in der Emittertemperatur auftreten.
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Aus der in 5 im Bereich der Zeile Z1 dargestellten Seitenansicht des Ausschnitts 8 der Emissionsfläche 7 ist ersichtlich, dass der Grundkörper 2 im Bereich der Emissionsfläche 7 eine konstante Dicke aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Tiefenstrukturierung 71 auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 und die Tiefenstrukturierung 72 auf der Rückseite 22 des Grundkörpers 2 aufeinander abgestimmt sind. Die Tiefenstrukturierung 71 weist die Konturen 711 und 712 auf, wohingegen die Tiefenstrukturierung 72 die Konturen 721 und 722 umfasst.
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Alle Konturen 711 und 712 sowie 721 und 722 weisen jeweils eine quadratische Grundfläche mit 50 µm Seitenlänge auf, wobei die Abtragungstiefen der Konturen unterschiedlich sind. Die Konturen 711 (Z1/S1 und Z1/S3) weisen jeweils eine Abtragungstiefe von 0 µm (kein Abtrag) auf und die Abtragungstiefe der gegenüberliegenden Konturen 721 (Z1/S1 und Z1/S3) beträgt jeweils 50 µm (größter Abtrag). Die Abtragungstiefe der gegenüberliegenden Konturen 712 (Z1/S2 und Z1/S4) und 722 (Z1/S2 und Z1/S4) beträgt jeweils 25 µm. In Summe betragen die Abtragtiefen der gegenüberliegenden Konturen 711 und 721 bzw. 721 und 722 jeweils 50 µm, so dass die Dicke des Grundkörpers 2 im Bereich der Emissionsfläche 7 konstant ist.
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Bei der in den 2 bis 5 gezeigten Ausgestaltung entsteht pro erzeugte quadratische Kontur (50 µm·50 µm) auf der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 eine durchschnittliche vertikale Emissionsfläche von 4·0,5·(25 µm·50 µm), wobei der Faktor 0,5 berücksichtigt, dass eine Kante zwei benachbarten Konturen zuzuordnen ist. Für eine komplett strukturierte Emissionsfläche 7 erhält man damit eine Verdoppelung der aktiven Emissionsfläche.
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Aus der Abhängigkeit der Elektronenemission von der Temperatur eines Emitters, im vorliegenden Fall des Flachemitters 1 mit 150 µm Dicke vor der Tiefenstrukturierung und 100 µm Dicke nach der Tiefenstrukturierung, erhält man aufgrund des Richardson-Dushman-Gesetzes im Bereich einer typischen Emittertemperatur von 2.300 °C bis 2.400 °C eine Temperaturabsenkung von ca. 80 °C, gleichbedeutend mit einer Lebensdauerhöhung um den Faktor drei bzgl. eines 100 µm dicken Emitters und um den Faktor zwei bezüglich eines 150 µm dicken Emitters.
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Wie aus der Beschreibung des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels ersichtlich, soll keine undefinierte Erhöhung der Rauigkeit der Vorderseite 21 des Grundkörpers 2 des Flachemitters 1 erzeugt werden. Vielmehr wird eine gezielte Herstellung senkrechter Emissionsflächen vorgenommen. Das vorgeschlagene 50 µm-Raster bei einer quadratischen Kontur der Tiefenstrukturierung 71 ist gemäß dem Ergebnis aus Elektronenstrahlsimulationen dazu geeignet, bei Absenkung der Emissionsfläche um 25 µm bis 50 µm gegenüber der Umgebung nicht in den Raumladungsbereich zu geraten, d.h. die volle Elektronenemission ist zugänglich.
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Durch die Herstellung senkrechter Emissionsflächen wird die aktive Emissionsfläche erhöht, ohne die für die Fokussierung relevante laterale Emissionsfläche 7 zu vergrößern.
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Die erhöhte Fläche bzw. Elektronenemission kann für eine Temperaturabsenkung des Emitters und damit für eine höhere Lebensdauer genutzt werden. Ist eine erhöhte Lebensdauer nicht notwendig, so können – jeweils ohne eine Verringerung der Lebensdauer des Emitters – einerseits höhere Emissionsströme bei bestehendem Emitterdesign erzielt werden, andererseits können kleinere fokusrelevante Emitterabmessungen bei verändertem Emitterdesign verwendet werden, welche im Allgemeinen für die Fokusqualität des Elektronenstrahls und eine möglicherweise erforderliche Sperrbarkeit des Emitters vorteilhaft sind.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben ist, ist die Erfindung nicht durch das in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Flachemitters eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus problemlos auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen.
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So ist die erfindungsgemäße Tiefenstrukturierung nicht nur bei Flachemittern mit einer rechteckigen Emissionsfläche, sondern beispielsweise auch bei Flachemittern mit einer kreisförmigen Emitterfläche realisierbar. Auch bei indirekt beheizten Flachemittern oder bei Wendelemittern ist die erfindungsgemäße Lösung anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2727907 C2 [0005, 0006]
- DE 19914739 C1 [0007]
- DE 102014211688 [0008]
- DE 102009005454 B4 [0009]
- DE 19955845 A1 [0010]
