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Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung.
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Eine derartige thermionische Emissionsvorrichtung ist z.B. aus der
DE 10 2009 005 454 B4 bekannt und in einer Röntgenröhre als Kathode wirksam. Die bekannte thermionische Emissionsvorrichtung umfasst einen indirekt beheizten Hauptemitter, der als Flachemitter mit einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche ausgebildet ist, und mit einem Heizemitter, der als Flachemitter mit einer strukturierten Heizemissionsfläche ausgebildet ist.
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Unter einer unstrukturierten Emissionsfläche wird eine flache, im Wesentlichen homogene Emissionsfläche ohne Schlitze oder ähnliche Unterbrechungen verstanden. Eine Emissionsfläche, die beispielsweise durch Schlitze unterbrochen ist oder eine mäanderförmige Leiterbahn aufweist, wird als strukturiert bezeichnet.
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Bei der aus der
DE 10 2009 005 454 B4 bekannten thermionischen Emissionsvorrichtung weisen der Hauptemitter und der Heizemitter jeweils mindestens zwei Anschlussfahnen auf, wobei der Heizemitter gewissermaßen in den Hauptemitter geschachtelt ist. Die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche sind im Wesentlichen parallel und zentrisch zueinander ausgerichtet. Die Anschlussfahnen des Hauptemitters sind im Wesentlichen senkrecht zur Hauptemissionsfläche ausgerichtet und stehen in lateraler Richtung nicht über die Hauptemissionsfläche heraus. Bei der bekannten thermionischen Emissionsvorrichtung wird mit konstruktiv einfach gehaltenen Mitteln eine möglichst hohe Qualität des Brennflecks erreicht und auch bei hohen thermischen Belastungen eine unerwünschte Aufweitung oder Defokussierung des Elektronenstrahls vermieden.
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Der in der thermionische Emissionsvorrichtung erzeugte Elektronenstrahl trifft in einem Brennfleck auf eine Drehanode auf. Aufgrund des Brennfleckprofils des Elektronenstrahls entsteht auf der Brennbahn eine Oberflächentemperatur von bis zu 2.400 °C. Diese Oberflächentemperatur der Brennbahn kann ohne unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer der Drehanode nicht erhöht werden, so dass allenfalls nur eine sehr geringe Leistungserhöhung über einen sehr kurzen Zeitraum und einer anschließenden Abkühlphase realisierbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermionische Emissionsvorrichtung für eine Röntgenröhre zu schaffen, die bei gleichbleibender Bildqualität eine längere Lebensdauer der Röntgenröhre sicherstellt/gewährleistet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermionische Emissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst einen indirekt beheizbaren Hauptemitter, der als Flachemitter mit einer Hauptemissionsfläche ausgeführt ist, und wenigstens einen zuschaltbaren Heizemitter mit einer Heizemissionsfläche, wobei die Heizemissionsfläche zu der Hauptemissionsfläche einen vorgebbaren Abstand aufweist und die Hauptemissionsfläche durch die Heizemissionsfläche asymmetrisch aufheizbar ist, und wobei im Betriebszustand der Hauptemitter auf einem Hauptpotenzial und der Heizemitter auf einem Heizpotenzial liegt, das unterschiedlich zum Hauptpotenzial ist.
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Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen Heizemitter, dessen Heizemissionsfläche Elektronen emittiert und damit den darüberlegenden Hauptemitter aufheizt. Der Heizemitter dient also als Heizquelle für den Hauptemitter. Der Hauptemitter emittiert dann über seine Hauptemissionsfläche Elektronen, die dem tatsächlichen Röhrenstrom entsprechen und die für die Brennfleckform auf der Anode und somit für die Bildgebung verantwortlich sind.
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Bei der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung wird die Hauptemissionsfläche des Hauptemitters durch die Heizemissionsfläche des Heizemitters asymmetrisch erhitzt. Dadurch erhält man in der Hauptemissionsfläche eine entsprechend asymmetrische Elektronenemission, die zu einem entsprechend geformten Elektronenstrahl fokussiert wird und beim Auftreffen auf der Anode einen asymmetrischen Brennfleck bildet. Bei gleichbleibender Bildqualität ist damit der Elektronenstrahl im Hinblick auf eine möglichst geringe Oberflächentemperatur auf der Anode optimiert. Durch das optimierte Brennfleckprofil der vom Hauptemitter emittierten Elektronen wird der Wärmeeintrag der auftreffenden Elektronen in die Anode deutlich reduziert. Die Lebensdauer der Anode und damit die Lebensdauer der Röntgenröhre werden somit entsprechend erhöht, ohne die Bildqualität zu reduzieren.
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Abhängig vom Anwendungsfall bzw. dem Einsatzgebiet der thermionischen Emissionsvorrichtung sind im Rahmen der Erfindung folgende vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 9 einzeln oder in Kombination realisierbar.
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Die asymmetrische Aufheizung der Hauptemissionsfläche kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass die Heizemissionsfläche asymmetrisch zu der Hauptemissionsfläche angeordnet ist. (Anspruch 2). Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizemissionsfläche asymmetrisch zu der Hauptemissionsfläche schaltbar (Anspruch 3). Beide Ausführungsbeispiele stellen im Wesentlichen gleichwertige Varianten dar, die auch gleichzeitig realisierbar sind. Im Rahmen der Erfindung können also die Heizemissionsfläche des Heizemitters und die Hauptemissionsfläche des Hauptemitters asymmetrisch zueinander angeordnet sein und gleichzeitig kann die Heizemissionsfläche asymmetrisch zu der Hauptemissionsfläche geschaltet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Heizemitter wenigstens zwei einzeln schaltbare Teil-Heizemitter mit entsprechenden Heizemissionsflächen (Teil-Heizemissionsflächen) umfasst (Anspruch 4). Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der benötigte Teil-Heizemitter auf einfache Weise elektrisch zuschaltbar und abschaltbar, wodurch eine zuverlässige asymmetrische Aufheizung der Hauptemissionsfläche erreicht wird.
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Im Rahmen der Erfindung ist der Heizemitter als Flachemitter (Anspruch 5) oder als Wendelemitter (Anspruch 6) realisierbar.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine asymmetrische Aufheizung der Hauptemissionsfläche dadurch erreicht, dass zwischen dem Hauptemitter und dem Heizemitter eine Fokussierungseinrichtung angeordnet ist (Anspruch 7). Durch diese Fokussierungseinrichtung werden die von der Heizemissionsfläche emittierten Elektronen fokussiert und asymmetrisch auf die Rückseite der Hauptemissionsfläche gelenkt, so dass die von der Hauptemissionsfläche emittierten Elektronen ein asymmetrisches Brennfleckprofil bilden. Diese Ausgestaltung stellt somit eine Alternative zu der Ausführungsform dar, bei der die Heizemissionsfläche asymmetrisch schaltbar ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine asymmetrische Aufheizung der Hauptemissionsfläche dadurch erreicht, dass der Heizemitter durch wenigstens ein Gitter zumindest teilweise sperrbar ist (Anspruch 8). Auch bei dieser Maßnahme werden die von der Heizemissionsfläche emittierten Elektronen asymmetrisch auf die Rückseite der Hauptemissionsfläche gelenkt, so dass die von der Hauptemissionsfläche emittierten Elektronen ein Brennfleckprofil bilden. Diese Ausgestaltung stellt somit ebenfalls eine Alternative zu der Ausführungsform dar, bei der die Heizemissionsfläche asymmetrisch schaltbar ist.
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Um den Temperaturgradienten für die Emission der bildgebenden Elektronen zu verstärken ist der Hauptemitter nicht nur an den beiden schmalen Seiten, sondern in vorteilhafter Weise zusätzlich an einer der beiden Längsseiten am Fokuskopf elektrisch kontaktiert (Anspruch 9).
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Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung bzw. deren vorteilhafte Ausgestaltungen (Ansprüche 2 bis 9) sind für einen problemlosen Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 10).
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Die thermionische Emissionsvorrichtung (Ansprüche 1 bis 9) bzw. ein damit ausgestatteter Fokuskopf (Anspruch 10) ist auf einfache Weise in eine Röntgenröhre einbaubar (Ansprüche 11 bis 13).
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Die vorstehend beschriebenen Röntgenröhren (Ansprüche 11 bis 13) können ohne Modifikationen in ein Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden (Anspruch 14).
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Nachfolgend werden fünf schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine thermionische Emissionsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine erste Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung,
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3 eine Draufsicht auf einen Emitter gemäß einer zweiten Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung,
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4 eine dritte Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung,
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5 eine vierte Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung und
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6 eine fünfte Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung.
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Die in 1 (Stand der Technik) und die in 2 (erstes Ausführungsbeispiel) dargestellten thermionischen Emissionsvorrichtungen umfassen jeweils einen indirekt beheizbaren Hauptemitter 1 mit einer Hauptemissionsfläche 11 und einen zuschaltbaren Heizemitter 2 mit einer Heizemissionsfläche 21. sowohl der Hauptemitter 1 als auch der Heizemitter 2 sind als Flachemitter ausgebildet.
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Der Hauptemitter 1 und der Heizemitter 2 sind gemeinsam in einem Fokuskopf 3 angeordnet. Der Hauptemitter 1 ist hierbei im Fokuskopf 3 mechanisch gehalten und elektrisch leitend mit diesem verbunden. Der Hauptemitter 1 ist hierzu an den beiden schmalen Seiten über jeweils einen elektrischen Kontakt 12 bzw. 13 mit dem Fokuskopf 3 verbunden.
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Demgegenüber ist der Heizemitter 2 im Fokuskopf 3 mechanisch gehalten, jedoch gegenüber dem Fokuskopf 3 elektrisch isoliert. Der Heizemitter 2 ist damit unabhängig vom Hauptemitter 1 schaltbar.
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Weiterhin sind der Hauptemitter 1 sowie der Heizemitter 2 zueinander derart angeordnet, dass die Heizemissionsfläche 21 und die Hauptemissionsfläche 11 in einem vorgebbaren Abstand 4 und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Im Betriebszustand liegt der Hauptemitter hierzu 1 auf einem Hauptpotenzial U1 und der Heizemitter 2 auf einem Heizpotenzial U2, das unterschiedlich zum Hauptpotenzial U1 ist.
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Bei den in 1 und 2 dargestellten thermionischen Emissionsvorrichtungen liegt der Hauptemitter 1 auf einem Hauptpotential U1 = –70 kV, wohingegen der Heizemitter 2 auf einem Heizpotenzial U2 = –71 kV liegt.
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Bei der in 1 beschriebenen thermionischen Emissionsvorrichtung ist die Hauptemissionsfläche 11 des Heizemitters 1 durch die Heizemissionsfläche 21 des Heizemitters 2 aufheizbar. Da die Heizemissionsfläche 21 und die Hauptemissionsfläche 11 parallel und senkrecht zueinander angeordnet sind, ist die Heizemissionsfläche 21 symmetrisch zu Hauptemissionsfläche 11 angeordnet.
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Im Betriebszustand ist das Heizpotenzial U2 negativer als das Hauptpotential U1 (U2 < U1). Im Normalbetrieb werden somit vom Heizemitter 2 Elektronen emittiert, die durch den Fokuskopf 3 zu einem Elektronenstrahl 5 fokussiert sind. Der Elektronenstrahl 5 trifft auf den Hauptemitter 1 auf und heizt diesen auf. Die Aufheizung des Hauptemitters 1 durch den Elektronenstrahl 5 erfolgt symmetrisch. Der Hauptemitter 1 emittiert aus der Hauptemissionsfläche 11 Elektronen, die zu einem Elektronenstrahl 6 fokussiert sind und in Richtung einer Anode 8 beschleunigt werden. Beim Auftreffen des Elektronenstahls 6 wird im Material der Anode 8 in bekannter Weise Röntgenstrahlung erzeugt.
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Wie in 2 an einem ersten Ausführungsbeispiel erläutert, ist die Hauptemissionsfläche 11 des Hauptemitters 1 erfindungsgemäß durch die Heizemissionsfläche 21 des Heizemitters 2 asymmetrisch aufheizbar. Die Heizemissionsfläche 21 liegt somit nicht symmetrisch bzw. deckungsgleich zur Hauptemissionsfläche 11.
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Durch die asymmetrische Aufheizung des Hauptemitters 1 bildet sich ein entsprechender Temperaturgradient aus, der in der Hauptemissionsfläche 11 zu einer entsprechend asymmetrischen Elektronenemission führt. Diese asymmetrische Elektronenemission wird zu einem entsprechend geformten Elektronenstrahl 7 fokussiert und bildet beim Auftreffen auf der Anode 8, die vorzugsweise als Drehanode ausgebildet ist, einen Brennfleck mit einem asymmetrischen Profil bzw. eine Brennbahn mit einem asymmetrischen Brennfleckprofil. Bei gleichbleibender Bildqualität ist damit der Elektronenstrahl 7 im Hinblick auf eine möglichst geringe Oberflächentemperatur auf der Anode 8 optimiert. Durch das optimierte Brennfleckprofil der vom Hauptemitter 1 emittierten Elektronen wird der Wärmeeintrag der auftreffenden Elektronen in die Anode 8 deutlich reduziert. Die Lebensdauer der Anode 8 und damit die Lebensdauer der Röntgenröhre werden somit entsprechend erhöht, ohne die Bildqualität zu reduzieren.
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Der auf dem Hauptemitter 1 entstehende Temperaturgradient, der aus der asymmetrischen Aufheizung durch den Heizemitter 2 resultiert, kann dadurch verstärkt werden, dass der Hauptemitter 1 nicht nur an den beiden schmalen Seiten jeweils einen elektrischen Kontakt 12 bzw. 13 zum Fokuskopf 3 aufweist, sondern in vorteilhafter Weise zusätzlich an einer der beiden Längsseiten über einen elektrischen Kontakt 14 mit dem Fokuskopf 3 kontaktiert ist. In 3 ist ein derartiges Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Der Heizemitter 2 kann, wie in 2 und 3 gezeigt, als Flachemitter ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Heizemitter 2 als Wendelemitter auszubilden, wie in 4 bis 6 dargestellt.
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Bei den in 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen der thermionischen Emissionsvorrichtung ist der Fokuskopf 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nicht dargestellt.
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Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst einen Heizemitter 2 mit einem einzigen Wendelemitter. Die vom Wendelemitter 2 emittierten Elektronen werden vor dem Auftreffen auf den Hauptemitter 1 durch eine elektromagnetische Fokussierungseinrichtung 10 zu einem Elektronenstrahl 5 fokussiert und auf eine gewünschte Stelle auf der Rückseite des Hauptemitters 1 asymmetrisch abgelenkt.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform besteht der Heizemitter 2 beispielsweise aus drei einzelnen Wendelemittern 2a, 2b und 2c, die unabhängig voneinander schaltbar sind. Die von den Wendelemittern 2a, 2b und 2c (Teil-Heizemitter) emittierten Elektronen werden wiederum vor dem Auftreffen auf den Hauptemitter 1 jeweils zu einem Elektronenstrahl 5a, 5b bzw. 5c fokussiert. Durch ein wahlweises Zuschalten oder Abschalten der einzelnen Wendelemitter 2a, 2b und 2c kann der Hauptemitter 1 an definierten Stellen asymmetrisch aufgeheizt werden.
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Bei der in 6 gezeigten Ausgestaltung ist der Heizemitter 2 wiederum als Wendelemitter ausgeführt. Zwischen dem Wendelemitter 2 und dem Hauptemitter 1 ist ein steuerbares Gitter 11 angeordnet, das drei Gitterbereiche 11a, 11b und 11c aufweist und über eine Gitterspannung selektiv sperrbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlassen die Elektronen über den mittleren Gitterbereich 11b das Gitter 11 und treffen als fokussierter Elektronenstrahl 5b auf dem Hauptemitter 1 auf. Durch wahlweises Sperren der Gitterbereiche 11a, 11b und 11c ist der Hauptemitter 1 an einer definierten Stelle asymmetrisch aufheizbar.
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Bei den in den 4 bis 6 gezeigten Ausführungsformen sind die Emitter 2 (4, 6) bzw. die Teilemitter 2a, 2b, 2c (5) als Wendelemitter ausgeführt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Emitter 2 bzw. die Teilemitter 2a, 2b, 2c als Flachemitter auszuführen.
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Wie aus der Beschreibung von fünf exemplarisch dargestellten Ausgestaltungen der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung ersichtlich ist, sind die thermionische Emissionsvorrichtung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen für einen problemlosen Einbau in einen Fokuskopf 3 geeignet.
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Die thermionische Emissionsvorrichtung bzw. ein damit ausgestatteter Fokuskopf 3 ist auf einfache Weise in eine Röntgenröhre einbaubar. Eine derartige Röntgenröhre kann ohne Modifikationen in ein Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005454 B4 [0002, 0004]
