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Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung.
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Eine derartige thermionische Emissionsvorrichtung mit einem Flachemitter, der eine Vorderseite mit einer Emissionsfläche und eine Rückseite mit einer Heizfläche aufweist, ist jeweils für sich beispielsweise aus der
DE 10 2006 024 435 A1 und aus der
US 2006 / 0 233 307 A1 bekannt. In beiden Fällen emittiert die Emissionsfläche bei einer Bestrahlung der Heizfläche mit Laserlicht Elektronen thermionisch. Die thermionische Emissionsvorrichtung ist zusammen mit einer Anode in einer Röntgenröhre angeordnet. Über eine Hochspannung, die zwischen der Emissionsvorrichtung und der Anode anliegt, werden die emittierten Elektronen auf eine gewünschte Primärenergie beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird im Aufenthaltsbereich des Brennflecks durch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomkernen des Anodenmaterials Röntgenstrahlung erzeugt.
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Flachemitter aus einem dünnen Wolframblech, welches mäanderförmig ausgebildet ist, sind beispielsweise in der
DE 100 16 125 A1 und in der
DE 27 27 907 C2 näher beschrieben.
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Aus der
DE 10 2007 041 107 B4 ist eine thermionische Emissionsvorrichtung bekannt, die wenigstens zwei potentialgetrennte Kathodensegmente mit jeweils einem Flachemitter umfasst. Über jeweils eine Emissionsfläche emittieren die Flachemitter Elektronen, die beim Auftreffen auf eine Anode im Anodenmaterial auf bekannte Weise Röntgenstrahlung erzeugen. Die thermionische Elektronenemission wird durch eine Bestrahlung der Emissionsfläche mit Laserlicht erzeugt (laserinduzierte Elektronenemission).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermionische Emissionsvorrichtung zu schaffen, die für eine Vielzahl von Röntgenröhren geeignet und auf konstruktiv einfache Weise an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Emissionsvorrichtung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst wenigstens einen Flachemitter, der eine Vorderseite mit wenigstens einer Emissionsfläche und eine Rückseite mit wenigstens einer Heizfläche aufweist, wobei wenigstens eine Emissionsfläche bei einer Bestrahlung wenigstens einer Heizfläche mit Laserlicht aus wenigstens einer Laserquelle Elektronen thermionisch emittiert. Erfindungsgemäß weist die Heizfläche wenigstens ein Mittel zur thermischen Deposition des Laserlichts auf. Bei diesem Mittel kann es sich beispielsweise um wenigsten einen geeignet geformten Spiegel handeln. Durch die Verwendung wenigstens eines Spiegels kann das Laserlicht mehrfach zurück auf die Heizfläche gestreut werden, wodurch man eine höhere Nettodeposition der Laserleistung erhält. Damit wird ein Großteil des auf die Heizfläche eingestrahlten Laserlichts im Flachemitter deponiert und nicht reflektiert.
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Durch die Trennung der Emissionsfläche und der Heizfläche können bei der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung sowohl die Emissionsfläche des Flachemitters als auch die Heizfläche des Flachemitters besonders gut auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung eine vorgebbare Anzahl von Laserquellen zur Verfügung steht, kann für das benötigte Laserlicht eine entsprechende Anzahl verschiedener Laserspektren erzeugt werden. Weiterhin können mehrere getrennte Laserstrahlen für örtlich verschiedene Stellen der Heizfläche erzeugt werden. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere verschiedene Heizflächen aufzuheizen. Dadurch sind thermische Einkopplungen von einer oder mehreren Laserleistungen realisierbar, abhängig vom Anwendungsfall (z.B. den benötigten oder zulässigen Temperaturen).
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Die erfindungsgemäße thermionische Emissionsvorrichtung bietet somit eine hohe Flexibilität bei der Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall.
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Insbesondere bei Verwendung mehrerer verschiedener Laserquellen kann bei der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 eine definierte Temperaturverteilung im Flachemitter erreicht werden, ohne eine aufwendige Strukturierung der Emissionsfläche vorzunehmen. Die Temperaturverteilung im Flachemitter wird damit über unterschiedliche Intensitäten der Laserstrahlen erzeugt, die von verschiedenen Laserquellen erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit einer dynamischen Einstellbarkeit der Temperaturverteilung. Dadurch kann das eigentliche Brennfleckprofil ohne Fokussierungsmaßnahmen direkt eingestellt werden. Dies bietet die Möglichkeit ein asymmetrisches Brennfleckprofil einzustellen, das wiederum eine Temperaturabsenkung auf der Anode zulässt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, mit einem einzigen Emitter verschiedene Brennfleckgrößen zu realisieren. Die Einstellung der Brennfleckgröße kann über eine gezielte Kombination von einzelnen Lasern erreicht werden.
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Abhängig vom Anwendungsfall bzw. dem Einsatzgebiet der thermionischen Emissionsvorrichtung sind im Rahmen der Erfindung beispielsweise die Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 6 einzeln oder in Kombination realisierbar.
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Eine symmetrische Aufheizung der Heizfläche kann beispielsweise gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass die Heizfläche symmetrisch zur Emissionsfläche angeordnet ist (Anspruch 2). Eine asymmetrische Aufheizung der Heizfläche ist dadurch realisierbar, dass die Heizfläche asymmetrisch zur Emissionsfläche angeordnet ist (Anspruch 3).
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Anstelle einer symmetrischen bzw. asymmetrischen Anordnung der Emissionsfläche ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Heizfläche symmetrisch (Anspruch 4) bzw. asymmetrisch (Anspruch 5) mit Laserlicht bestrahlbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizfläche variabel mit Laserlicht bestrahlbar (Anspruch 6). Damit ist es möglich, über die Heizfläche einen örtlich und/oder zeitlich unterschiedlichen Energieeintrag im Flachemitter vorzunehmen.
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Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung bzw. deren vorteilhafte Ausgestaltungen (Ansprüche 2 bis 6) sind für den Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 7).
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Mit der thermionischen Emissionsvorrichtung (Ansprüche 1 bis 6) bzw. mit einem damit ausgestatteten Fokuskopf (Anspruch 7) ist auf einfache Weise eine Röntgenröhre (Ansprüche 8 bis 14) herstellbar, die auf einfache Weise auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist.
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Eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 8 bzw. 9 umfasst damit wenigstens einen Flachemitter, der eine Vorderseite mit wenigstens einer Emissionsfläche und eine Rückseite mit wenigstens nach Heizfläche aufweist, wobei wenigstens eine Emissionsfläche bei einer Bestrahlung wenigstens einer Heizfläche mit Laserlicht Elektronen thermionisch emittiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Röntgenröhre wird das Laserlicht von wenigstens einer Laserquelle erzeugt, die innerhalb des Vakuumgehäuses angeordnet ist (Anspruch 10).
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Alternativ zu einer Ausgestaltung, bei der die Laserquelle innerhalb des Vakuumgehäuses angeordnet ist, kann das Laserlicht auch von wenigstens einer Laserquelle erzeugt werden, die außerhalb des Vakuumgehäuses angeordnet ist (Anspruch 11) .
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Falls die Laserquelle außerhalb des Vakuumgehäuses angeordnet ist, tritt das von der Laserquelle emittierte Laserlicht vorzugsweise über wenigstens ein im Vakuumgehäuse angeordnetes Lasereintrittsfenster in das Vakuumgehäuse ein (Anspruch 12). Alternativ hierzu kann das Laserlicht auch über Lichtleiter an die Heizfläche auf der Rückseite des Flachemitters geführt werden. Diese Maßnahme ist sowohl bei innerhalb als auch bei außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Laserquellen realisierbar.
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Bei Verwendung eines Lasereintrittsfensters ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre vorteilhaft, wenn dieses durch wenigstens eine Abschirmung vor einer thermisch bedingten Materialabdampfung geschützt ist (Anspruch 13). Derartige Materialabdampfungen können sowohl am Flachemitter der thermionische Emissionsvorrichtung als auch an der Anode auftreten. Die bei dieser Ausgestaltung vorgesehene Abschirmung bietet auch Schutz vor positiv geladenen Ionen (Kationen), die beim Auftreffen von Elektronen auf die Anode aus dem Material der Anode austreten.
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Die Erfindung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen sind unabhängig von der Art der in der Röntgenröhre angeordneten Anoden einsetzbar. So kann die Anode als Festanode (Stehanode) oder als Drehanode ausgebildet sein. Die Anode kann auch Teil einer Drehkolbenröhre sein.
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Nachfolgend werden drei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform der thermionischen Emissionsvorrichtung,
- 2 eine zweite Ausführungsform der thermionischen Emissionsvorrichtung,
- 3 eine dritte Ausführungsform der thermionischen Emissionsvorrichtung
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Die in den 1 bis 3 jeweils im Schnitt dargestellten Ausführungsformen einer thermionischen Emissionsvorrichtung umfassen jeweils einen Flachemitter 1, der eine Vorderseite 2 und eine Rückseite 3 aufweist. Auf der Vorderseite 2 des Flachemitters 1 ist eine Emissionsfläche 4 angeordnet. Die Rückseite 3 des Flachemitters 1 weist eine Heizfläche 5 auf, die im Betriebszustand mit Laserlicht 6 aus einer Laserquelle bestrahlt wird.
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Aufgrund der Übersichtlichkeit ist die Laserquelle, deren Aufbau allgemein bekannt ist, in den 1 bis 3 nicht dargestellt.
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Eine Bestrahlung der Heizfläche 5 auf der Rückseite 3 des Flachemitters 1 mittels Laserlicht 6 führt zu einer Erwärmung des Flachemitters 1. Aufgrund der Erwärmung werden aus der Emissionsfläche 4 auf der Vorderseite 2 des Flachemitters 1 Elektronen thermionisch emittiert. Aus den Elektronen wird auf bekannte Weise ein Elektronenstrahl 7 erzeugt.
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Der Flachemitter 1 ist in einem Fokuskopf 8 mechanisch gehalten und über elektrische Kontakte 9 und 10 elektrisch leitend mit dem Fokuskopf 8 verbunden.
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Durch die Trennung der Emissionsfläche 4 und der Heizfläche 5 können bei der thermionischen Emissionsvorrichtung sowohl die Emissionsfläche 4 des Flachemitters 1 als auch die Heizfläche 5 des Flachemitters 1 besonders gut auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann auf eine aufwendige Strukturierung der Emissionsfläche 4 verzichtet werden, da allein durch eine definierte Bestrahlung der Heizfläche 5 mit Laserlicht 6 eine Elektronenemission wie bei einem strukturierten Flachemitter erzielt werden kann.
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Die Bestrahlung der Heizfläche 5 mit Laserlicht 6 kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Auch eine variable Bestrahlung, mit der ein örtlich und/oder zeitlich unterschiedlicher Energieeintrag im Flachemitter 1 erzielt werden kann, ist bei der vorliegenden Erfindung realisierbar.
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Mit der in 1 gezeigten Ausführungsform der thermionischen Emissionsvorrichtung erhält man einen Elektronenstrahl 7, der auf der Anode einen kleinen Brennfleck erzeugt.
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Die in 2 dargestellte Ausgestaltung der thermionischen Emissionsvorrichtung erzeugt einen Elektronenstrahl 7, der auf der Anode einen großen Brennfleck bildet.
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Das Ausführungsbeispiel der thermionischen Emissionsvorrichtung gemäß 3 erzeugt einen Elektronenstrahl 7, der auf der Anode einen asymmetrischen Brennfleck bildet.
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Aus den beschriebenen Ausgestaltungen ist ersichtlich, dass die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung auf konstruktiv einfache Weise an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist deshalb für eine Vielzahl von Röntgenröhren geeignet.
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Im Rahmen der Erfindung kann die thermionische Emissionsvorrichtung auch mehr als einen Flachemitter 1 und der einzelne Flachemitter 1 auch mehr als eine Emissionsfläche 4 sowie mehr als eine Heizfläche 5 aufweisen. Weiterhin kann das für die thermionische Emission von Elektronen notwendige Laserlicht 6 auch von mehr als einer Laserquelle erzeugt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch drei bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben ist, 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.
