DE112009001604B4

DE112009001604B4 - Thermionenemitter zur Steuerung des Elektronenstrahlprofils in zwei Dimensionen

Info

Publication number: DE112009001604B4
Application number: DE112009001604.9T
Authority: DE
Inventors: Paul D. Moore
Original assignee: Varex Imaging Corp
Current assignee: Varex Imaging Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2029-06-20
Also published as: DE112009001604T5; US20090323898A1; US7924983B2; WO2010002610A2; WO2010002610A3

Abstract

Elektronenemitteranordnung, umfassend:eine hochschmelzende Metallfolie, die ausgelegt ist, einen Fluss von Elektronen zu emittieren, wenn die Metallfolie elektrisch angeregt wird, undEinrichtung zur Steuerung der Emission der Elektronen in zwei Dimensionen, um so einen Elektronenstrahl zu definieren,dadurch gekennzeichnet, dassdie Einrichtung zur Steuerung der Emission der Elektronen eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Sprossen der Metallfolie umfasst, wobei jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, und wobei jeweils der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte.

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektronenemitter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung thermionische Emission von Elektronen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.
Verwandte Technologien
Die Röntgenröhre ist von wesentlicher Bedeutung bei diagnostischer Bildgebung im Bereich der Medizin, bei medizinischer Behandlung und verschiedenen Branchen, die sich mit medizinischen Untersuchungen und Materialanalyse beschäftigen. Solche Geräte werden häufig in Bereichen wie medizinischer Diagnostik, therapeutischer Radiologie, Halbleiterfertigung und Materialanalyse eingesetzt.
Eine Röntgenröhre enthält typischerweise ein Vakuumgehäuse, das eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung enthält. Das Vakuumgehäuse kann aus Metall, wie beispielsweise Kupfer, Glas, Keramik oder einer Kombination daraus bestehen und ist in der Regel innerhalb eines äußeren Gehäuses angeordnet. Zumindest ein Teil des äußeren Gehäuses kann mit einer Abschirmungsschicht umhüllt sein (z.B. aus Blei oder einem ähnlichen röntgenstrahlenabsorbierenden Material) um ein Austreten der im Vakuumgehäuse erzeugten Röntgenstrahlen zu vermeiden. Darüber hinaus kann ein Kühlmedium, wie beispielsweise ein dielektrisches Öl oder ähnliches Kühlmittel im Raum zwischen dem Außengehäuse und dem Vakuumgehäuse vorhanden sein, um Wärme von der Oberfläche des Vakuumgehäuses abzuleiten. Je nach Konfiguration kann die Wärme aus dem Kühlmittel durch Weiterleiten an einen externen Wärmetauscher mittels einer Pumpe und Fluidleitungen abgeführt werden. Die Kathodenanordnung besteht im Allgemeinen aus einer metallischen Kathodenkopfanordnung und einer Quelle von stark angeregten Elektronen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Die Anodenanordnung, die in der Regel aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram gefertigt ist, enthält eine Targetoberfläche, die ausgerichtet ist, um die von der Kathodenanordnung emittierten Elektronen zu empfangen.
Während des Betriebs der Röntgenröhre ist ein Heizstrom an die Kathode angelegt, der dazu führt, dass Elektronen durch den Prozess der thermoionischen Emission von der Elektronenquelle „Abdampfen“. Ein elektrisches Potential in der Größenordnung von etwa 4 kV bis über ca. 200 kV wird zwischen der Kathode und der Anöde angelegt, um von der Elektronenquelle abgedampfte Elektronen auf die Targetoberfläche der Anodenanordnung zu beschleunigen. Röntgenstrahlen werden erzeugt, wenn die hoch beschleunigten Elektronen auf ein Target treffen.
Die meisten der Elektronen, die die Anode treffen, führen ihre Energie in Form von Wärme ab. Einige Elektronen jedoch wechselwirken mit den Atomen des Targets und erzeugen Röntgenstrahlung. Die Wellenlänge der erzeugten Röntgenstrahlen hängt zum großen Teil von der Art des die Anodenoberfläche bildenden Materials ab. Röntgenstrahlen werden in der Regel auf der Anode durch zwei getrennte Phänomene erzeugt. Beim ersten Phänomen führen die Elektronen, die die Kathode treffen, ausreichend Energie, um Elektronen aus den inneren Orbitalen der Atome, die das Target bilden, „anzuregen“ oder auszulösen. Das Material emittiert Röntgenstrahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge, wenn die durch die „angeregten“ oder ausgelösten Elektronen durch Elektronen aus äußeren Orbitalen aufgefüllt werden. Bei dem zweiten Prozess Wechselwirken einige Elektronen der Kathode mit den Atomen des Targetelements, so dass die Elektronen um sie abgebremst werden. Diese Wechselwirkungen aufgrund der Abbremsung werden durch Erhaltung des Impulses durch einen als Bremsstrahlung bezeichneten Prozess in Röntgenstrahlen umgewandelt. Einige der Röntgenstrahlen, die durch diese Prozesse erzeugt werden, verlassen letztlich die Röntgenröhre durch ein Fenster der Röntgenröhre und wechselwirken mit einem Patienten, einer Materialprobe oder einem anderen Objekt.
Es ist generell wünschenswert, den Röntgenfluss (d.h. die Anzahl der emittierten Röntgenphotonen pro Zeiteinheit) zu maximieren und das Ausmaß der Röntgenquelle auf der Anode zu minimieren, um einen genau geregelten Röntgenstrahl zu erzeugen. Diese Ziele lassen sich nicht immer gemeinsam erreichen.
Es wird allgemein anerkannt, dass diagnostische Bildqualität zumindest teilweise von der Anzahl der Elektronen, die auf die Targetoberfläche der Targetanode auftreffen, abhängt. Im Allgemeinen führen mehr Elektronen zu einem höheren Röntgenfluss, was wiederum zu Röntgenaufnahmen mit höherem Kontrast (d.h. höhere Qualität) führt. Die Leistung eines bestimmten Emitters kann somit mit Hinblick auf den Wirkungsgrad dieses Emitters bestimmt werden, wobei der Wirkungsgrad des Emitters als die Zahl der Elektronen, die auf die Targetoberfläche der Targetanode auftreffen, definiert ist, d.h. die Perveanz des Emitters als Prozentsatz der Gesamtzahl der Elektronen, die vom Emitter emittiert wurden. Dementsprechend verbessert sich in der Regel Bildkontrast oder Qualität, wenn der Wirkungsgrad des Emitters steigt.
Während die Qualität der durch ein Röntgengerät erzeugten Bilder zu einem großen Teil eine Funktion des Wirkungsgrads des Emitters ist, ist auch bekannt, dass die Qualität von diagnostischen Bildern zusätzlich von dem Muster oder Brennfleck abhängt, der durch den emittierten Elektronenstrahl auf der Targetoberfläche der Targetanode erzeugt wird. In der Regel führt ein kleinerer Brennfleck zu besseren Röntgenaufnahmen. In Analogie kann dieses Phänomen leicht mit dem durch eine visuelle Lichtquelle erzeugten Schatten verglichen werden. Zum Beispiel sind die Schatten von einer scharfen Lichtquelle (z.B. einer punktförmigen Quelle wie einem Laser) selbst scharf, während die Schatten einer schlecht definierten Lichtquelle (z.B. fluoreszierende Bürobeleuchtung) selbst schlecht definiert und diffus sind. Das Gleiche gilt für Schatten, die von Röntgenstrahlen erzeugt werden, die übertragen und absorbiert werden, wenn Röntgenstrahlen ein Objekt durchdringen.
Die physikalischen Grenzen der Anode stellen einen weiteren wichtigen Gesichtspunkt bei der Auslegung von Röntgengeräten dar. Wie oben erwähnt, werden Röntgenstrahlen erzeugt, wenn Elektronen aus dem Elektronenstrahl auf die Anodenoberfläche auftreffen. Dennoch kann die Tatsache, dass die meisten der Elektronen, die auf der Anodenoberfläche auftreffen, ihre Energie in Form von Wärme abführen, manchmal zu einer Überhitzung und einem Ausfall der Anode führen, wenn der Elektronenfluss des Strahls sehr hoch ist und/oder der Elektronenstrahl relativ intensiv und sehr dicht auf der Anodenoberfläche fokussiert ist. Dies gilt vor allem für den Arbeitsbereich von 60-150 Kilovolt, den man typischerweise bei Röntgengeräten in der medizinischen Diagnostik vorfindet.
Basierend auf der vorangegangenen Diskussion kann allgemein davon ausgegangen werden, dass es wünschenswert ist, einen Elektronenemitter zu haben, der den Elektronenfluss des Strahls maximiert, um einen optimalen Kontrast der Röntgenaufnahme zu erhalten, während gleichzeitig der innerhalb der physikalischen Grenzen der Anode kleinst mögliche Brennpunkt erhalten wird.
Aus der US 4 730 353 A ist ein Röntgenapparat bekannt. Die US 6 464 551 B1 beschreibt die Herstellung eines Filaments sowie ein Filament für einen Elektronenemitter.
Die DE 10 2008 058 608 B4 offenbart eine Fadenbaugruppe zur Verwendung in einer röntgenstrahlenemittierenden Einrichtung oder anderen fadenenthaltenden Einrichtung.
Aus der DE 27 27 907 A1 ist eine Röntgenröhren-Glühkathode bekannt. Die WO 2008/ 146 248 A1 beschreibt eine Emittervorrichtung für Röntgenröhren mit einem Dünnfilm-Elektronenemitter.
Die WO 2008/047 269 A2 offenbart einen Emitter und eine Heizvorrichtung für Röntgenröhren. Aus der WO 2007/132 380 A2 ist ein flacher thermionische Emitter, zur Verwendung in Röntgensystemen mit variabler Fokussierpunktgröße und -form bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG AUSGEWÄHLTER ERFINDUNGSGEMÄSSER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele richten sich auf einen thermionischen Emitter zur Emission von gut definierten Elektronenstrahlen mit hoher Intensität zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Der Emitter wird aus einem hochschmelzenden Metall gefertigt, das Elektronen emittiert oder „abdampft“, wenn es durch einen elektrischen Strom geheizt wird. Die Elektronenemission hängt von der Strommenge, die durch den Emitter fließt und von der Temperatur des Emitters ab. Das thermionische Emitter-Design der vorliegenden Erfindung erzeugt maximalen Elektronenfluss, der nur durch die physikalischen Grenzen der Anode eingeschränkt wird, während gleichzeitig ein in zwei Dimensionen scharf fokussierter Elektronenstrahl erzeugt wird. Der Emitter ist konfiguriert, das Emissionsprofil der Elektronen in zwei Dimensionen durch miteinander Abgleichen von Stromdichte, Widerstand sowie der Wärmeleitung des Emitterelements zu steuern. Hoher Elektronenfluss des Strahls erhöht die Intensität der Röntgenstrahlen, was den Kontrast der Röntgenaufnahme verbessert und die Zeit, die zur Erzeugung einer Röntgenaufnahme benötigt wird, verringert. Ein eng fokussierter Strahl von Elektronen, der auf eine kleine Fläche auf der Targetanode fokussiert ist, erzeugt einen dicht gebündelten Röntgenstrahl, der die Bildauflösung der Röntgenaufnahme verbessert. In einer Ausführungsform wird eine Elektronenemitteranordnung offenbart. Die Elektronenemitteranordnung umfasst eine hochschmelzende Metallfolie, die konfiguriert ist, Elektronen zu emittieren, wenn die hochschmelzende Metallfolie elektrisch angeregt wird, und Einrichtungen zur Fokussierung der Elektronen in zwei Dimensionen, um so einen Elektronenstrahl zu definieren. Dabei umfasst die Einrichtung zur Steuerung der Emission der Elektronen eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Sprossen der Metallfolie, wobei jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, und wobei jeweils der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte. Der Elektronenstrahl wird in der Regel in einer Ebene fokussiert, die durch zwei beliebige kartesische Koordinaten (z.B. X-Y oder X-Z) definiert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl in der X-Z-Ebene fokussiert.
In einer Ausführungsform gleicht die Einrichtung zur Fokussierung der Elektronen in zwei Dimensionen eine Vielzahl von physikalischen Eigenschaften der hochschmelzenden Metallfolie ab, einschließlich Stromdichte, Widerstand und Wärmeleitung. In einer verwandten Ausführungsform ist die Einrichtung zur Fokussierung des Elektronenstrahls in zwei Dimensionen als elektrisches Feld ausgebildet und umfasst abgewinkelte Seiten Metallfolie.
In einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Bereichen der hochschmelzenden Metallfolie der Elektronenemitteranordnung herausgeschnitten. Die hochschmelzende Metallfolie, die zwischen den Aussparungen verbleibt, definiert eine Vielzahl von Sprossen. Die Querschnittsfläche der Vielzahl von Sprossen ist so gewählt, um Stromdichte, elektrischen Widerstand sowie den Wärmeverlust durch Wärmeleitung abzugleichen. Die Sprossen sind so konfiguriert, dass ein geregeltes Wärmeprofil über die gesamte Sprosse erzeugt wird. Dieses Wärmeprofil bestimmt die Elektronenemission aus den Punkten auf der Oberfläche der Sprosse. Die Querschnittsfläche jeder einzelnen Sprosse ist so konfiguriert, dass die Vielzahl von Sprossen gemeinsam einen geregelten Elektronenstrahl emittieren, wenn die hochschmelzende Metallfolie angeregt wird.
Die emittierten Elektronen folgen im Wesentlichen parallelen Bahnen von der Oberfläche des Emitters und werden dann durch die übrige Struktur der Kathodenanordnung auf das gewünschte Profil des Elektronenstrahls fokussiert und anschließend auf das gewünschte Profil des Brennflecks der Röntgenstrahlung, wo der Strahl auf die Anode trifft. Das gewünschte Profil ist eine kosinusförmige Linienformfunktion der Intensität des Röntgenstrahls. Mit dem Emitter können auch andere Linienformen der Brennfleckverteilungen erzeugt werden, da die Temperatur an jedem Punkt auf dem Emitter durch die Querschnittsform der Sprosse, die mit der Wärmeleitung zu anderen Abschnitten der Sprosse und der thermischen Strahlung von der Oberfläche der Sprosse abgeglichen ist, gesteuert wird. Ein nahezu rechteckiges Strahlprofil ist ebenfalls möglich.
Die Elektronenemission durch die hochschmelzende Metallfolie ist temperaturabhängig, wobei die Elektronenemission je niedriger ist, je niedriger die Temperatur der hochschmelzenden Metallfolie ist. In einer Ausführungsform weist jede Sprosse einen zugehörigen Temperaturgradienten auf, der ein temperaturabhängiges Elektronenemissionsprofil definiert, wobei der Elektronenfluss (d.h. die Anzahl der Elektronen, die pro Flächeneinheit emittiert werden) bei jedem Temperaturabfall von etwa 80 °C um etwa einen Faktor 2 sinkt. In einer Ausführungsform umfasst jede Sprosse weiterhin einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte, wobei der damit verbundene Temperaturgradient im Bereich von etwa 2500 °C im Mittelabschnitt bis etwa 700 °C an den beiden Endabschnitten liegt.
In einer Ausführungsform definiert zumindest ein Teil der hochschmelzenden Metallfolie einen Wärmeübertragungspfad zu einer Wärmesenke. Es ist natürlich offensichtlich, dass die Wärmesenke bei der Erzeugung des zugehörigen Temperaturgradienten eine Rolle spielt.
In einer Ausführungsform sind die Sprossen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. In einer weiteren Ausführungsform sind die Sprossen elektrisch miteinander parallel geschaltet.
In einer Ausführungsform wird die hochschmelzende Metallfolie aus Wolfram, Tantal, einer Tantal-Wolfram-Legierung (z.B. Ta₉₀W₁₀ oder Ta_97.5W_2.5) oder Tantalkarbid gefertigt. In einer weiteren Ausführungsform wird die hochschmelzende Metallfolie aus mit Thorium dotiertem Wolfram gefertigt. Zusatz von Thorium verändert die charakteristische Austrittsarbeit des Metalls, was wiederum die für die Emission von Elektronen erforderliche Energie ändert. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Thorium-dotierte Wolfram weiterhin eine Kohlenstoff-Dotierung. Die Kohlenstoff-Dotierung kann dem Emitter durch einen als Aufkohlung bezeichneten Prozess hinzugefügt werden. Zugabe der Kohlenstoff-Dotierung führt zu einer bedeutenden Erhöhung der Lebensdauer von aus thoriertem Wolfram gefertigten Elektronenemitteranordnungen.
In noch einer anderen Ausführungsform wird eine Röntgenröhrenanordnung offenbart. Die offenbarte Röntgenröhrenanordnung umfasst ein Vakuumgehäuse, eine Anode innerhalb des Vakuumgehäuses mit einer Targetoberfläche und eine Kathode, die von der Targetoberfläche beabstandet ist. Die Kathode enthält eine Elektronenemitteranordnung, die eine hochschmelzende Metallfolie enthält, die zum Emittieren eines Elektronenstrahls, der thermisch in zwei Dimensionen gesteuert wird, konfiguriert ist. Die hochschmelzende Metallfolie umfasst erste und zweite Endabschnitte, einen herabgesetzten Mittelabschnitt, der parallel zu den Endabschnitten ist, und eine Vielzahl von Aussparungen, die eine Vielzahl von horizontalen Sprossen definieren, wobei die Vielzahl von horizontalen Sprossen mit der Vielzahl von Ausschnitten verschachtelt ist.
Dabei weist jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte auf, wobei der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte. Die Form der Sprossen wirkt sich durch Abgleichen von Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeverlust durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung auf das Elektronenemissionsprofil der Sprossen aus. Im Gegenzug beeinflusst das Elektronenemissionsprofil die Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Targetanode.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Röntgenaufnahmegerät offenbart. Das offenbarte Röntgenaufnahmegerät umfasst einen Röntgendetektor und eine Röntgenquelle. Die Röntgenquelle umfasst ein Vakuumgehäuse, eine Anode innerhalb des Vakuumgehäuses mit einer Targetoberfläche und eine Kathode, die von der Targetoberfläche beabstandet ist. Insbesondere umfasst die Elektronenemitteranordnung einen hochschmelzenden Metallfolienelektronenemitter, der zum Emittieren eines Elektronenstrahls konfiguriert ist, der in zwei Dimensionen fokussiert ist, wobei die hochschmelzende Metallfolie erste und zweite Endabschnitte, einen herabgesetzten Mittelabschnitt sowie eine Vielzahl von Aussparungen umfasst, die eine Vielzahl von Sprossen definieren, wobei die Vielzahl von Sprossen mit der Vielzahl von Aussparungen verschachtelt ist, wobei jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, wobei der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte, und wobei der Querschnitt jeder Sprosse gewählt ist, um Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung abzugleichen, so dass ein fokussierter Elektronenstrahl gemeinsam von den Sprossen emittiert wird.
In einer Ausführungsform sind die Sprossen im Wesentlichen parallel zueinander zwischen den ersten und zweiten Endbereichen angeordnet.
In einer Ausführungsform wird die hochschmelzende Metallfolie aus Wolfram, Tantal, einer Tantal-Wolfram-Legierung (z.B. Ta₉₀W₁₀) oder Tantalkarbid gefertigt. In einer weiteren Ausführungsform wird die hochschmelzende Metallfolie aus einer Legierung von Thorium und Wolfram gefertigt. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die hochschmelzende Metallfolie weiterhin eine Kohlenstoff-Dotierung. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen offensichtlich, oder können durch Ausübung der Erfindung gelernt werden, wie im Folgenden dargelegt wird.
Figurenliste
Zur weiteren Klärung des Vorstehenden und weiterer Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung erfolgt eine genauere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt werden. Es ist offensichtlich, dass diese Zeichnungen nur typische erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele darstellen und daher nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung angesehen werden. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Genauigkeit und Detail anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und erläutert und es zeigt:

1 zeigt eine Seitenansicht einer Röntgenröhre im Querschnitt als eine mögliche Umgebung, in der die vorliegende Erfindung gemäß einer Ausführungsform eingesetzt werden kann;
2A zeigt eine Draufsicht auf einen Elektronenemitter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B zeigt eine Stirnansicht des Elektronenemitters von 2A;
2C zeigt eine Nahaufnahme eines Teils des Elektronenemitters von 2A;
2D zeigt eine perspektivische Ansicht des Elektronenemitters von 2A;
3 zeigt einen Elektronenemitter, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Wärmesenke verbunden ist;
4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur des Elektronenemitters und der Elektronenemission des Emitters in Milliampere pro Quadratmillimeter;
5A zeigt einen beispielhaften Temperaturgradienten über einer Sprossenstruktur eines Elektronenemitters;
5B ist eine graphische Darstellung des Temperaturgradienten über die in 5 dargestellte Sprosse als Funktion des Abstandes von der Mitte der Sprosse;
5C zeigt das Elektronenemissionsprofil eines Elektronenemitters in der X-Z-Ebene;
6 zeigt einen Kathodenkopf mit einer Elektronenemitteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A zeigt einen Elektronenemitter gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7B zeigt einen weiteren Elektronenemitter gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7C zeigt ein weiteren Elektronenemitter gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
7D zeigt einen weiteren Elektronenemitter gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele betreffen einen thermionischen Elektronenemitter zur Emission von gut definierten Elektronenstrahlen mit hoher Intensität zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Insbesondere betreffen offenbarte Ausführungsformen einen Elektronenemitter, der einen selbstfokussierenden Elektronenstrahl emittiert, der in zwei Dimensionen gestaltet wird. Der Elektronenemitter wird aus einem hochschmelzenden Metall gefertigt, das Elektronen emittiert oder „abdampft“, wenn es durch einen elektrischen Strom geheizt wird. Die Elektronenemission hängt von der Strommenge ab, die durch den Elektronenemitter fließt und die Temperatur des Emitters bestimmt. Das thermionische Emitter-Design der vorliegenden Erfindung erzeugt maximalen Elektronenfluss, der nur durch die physikalischen Grenzen der Anode eingeschränkt wird, während gleichzeitig ein Elektronenstrahl, der absichtlich in zwei Dimensionen gestaltet wird, erzeugt wird. Der Elektronenemitter ist konfiguriert, das Emissionsprofil der Elektronen in zwei Dimensionen durch Abgleichen von Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung durch das Emitterelement zu steuern. Hoher Elektronenfluss des Strahls erhöht die Intensität der Röntgenstrahlen, was den Kontrast der Röntgenaufnahme verbessert und die Zeit verringert, die zur Erzeugung einer Röntgenaufnahme benötigt wird. Ein eng fokussierter Strahl von Elektronen, der auf eine kleine Fläche auf der Targetanode fokussiert ist, erzeugt einen dicht gebündelten Röntgenstrahl, der die Bildauflösung der Röntgenaufnahme verbessert
RÖNTGENGERÄTE
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die eine mögliche Umgebung darstellt, wo Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung praktiziert werden können. Insbesondere zeigt 1 eine Röntgenröhre, die allgemein als 10 bezeichnet wird, die als ein Beispiel für ein Röntgenstrahlen erzeugendes Gerät dient. Die Röntgenröhre 10 umfasst im Allgemeinen ein evakuiertes Gehäuse 20, in dem eine Kathodenanordnung 50 und eine Anodenanordnung 100 untergebracht sind. Das evakuierte Gehäuse 20 definiert und stellt die notwendige Umhüllung für die Unterbringung der Kathoden- und Anodenanordnungen 50, 100 und anderer kritischer Komponenten der Röhre 10 bereit und bietet gleichzeitig die für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Röntgenröhre erforderliche Abschirmung und Kühlung. Das evakuierte Gehäuse 20 umfasst ferner Abschirmung 22, die so angeordnet ist, um unbeabsichtigte Röntgenstrahlungsemission aus der Röhre 10 während des Betriebs zu verhindern. Man beachte, dass in anderen Ausführungsformen die Röntgenstrahlenabschirmung sich nicht im evakuierten Gehäuse befindet, sondern möglicherweise an einem separaten Außengehäuse angebracht ist, das das evakuierte Gehäuse umhüllt. In noch anderen Ausführungsformen kann die Strahlenabschirmung weder im evakuierten Gehäuse noch im Außengehäuse enthalten sein, vielmehr befindet sie sich an einer anderen vorgegebenen Stelle.
Im Detail ist die Kathodenanordnung 50 für die Versorgung mit einem Strom von Elektronen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen verantwortlich, wie bereits dargelegt. Während andere Konfigurationen verwendet werden könnten, umfasst die Kathodenanordnung 50 im dargestellten Beispiel eine Trägerstruktur 54, die einen Kathodenkopf 56 stützt. Im Beispiel der 1 definiert eine Kathodenblendenabschirmung 58 eine Blende 58A, die zwischen einer Elektronenemitteranordnung, die allgemein als 200 bezeichnet und nachfolgend näher beschrieben wird, und der Anode 106 angeordnet ist, um von der Elektronenemitteranordnung emittierte Elektronen 62 passieren zu lassen. In einer Ausführungsform kann die Blendenabschirmung 58 durch eine Kühlflüssigkeit als Teil eines Röhrenkühlsystems (nicht dargestellt) abgekühlt werden, um Wärme abzuleiten, die in der Blendenabschirmung als Folge des Aufpralls von fehlgeleiteten Elektronen auf die Blendenabschirmungsoberfläche erzeugt wird. 1 ist ein repräsentatives Beispiel einer Umgebung, in der die offenbarten Filamentanordnungen eingesetzt werden könnten. Es ist jedoch offensichtlich, dass es viele andere Röntgenröhrenkonfigurationen und Umgebungen gibt, in denen die Ausführungsformen der Filamentanordnung Nutzen und Anwendung finden würden.
Wie bereits erwähnt, enthält der Kathodenkopf 56 die Elektronenemitteranordnung 200 als Elektronenquelle für die Erzeugung der Elektronen 62 während die Röhre in Betrieb ist. Als solches ist die Elektronenemitteranordnung 200 in angemessener Weise an eine Stromquelle angeschlossen (nicht dargestellt), um die Produktion der hochenergetischen Elektronen, die allgemein mit 62 bezeichnet werden, durch die Anordnung zu ermöglichen.
Die dargestellte Anodenanordnung 100 umfasst eine Anode 106 und eine Anodenträgeranordnung 108. Die Anode 106 umfasst ein Substrat 110, das vorzugsweise aus Graphit besteht und eine darauf angeordnete Targetoberfläche 112. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Targetoberfläche 112 aus Wolfram oder Wolfram-Rhenium, obwohl es offensichtlich ist, dass je nach Anwendung, andere „Hoch-“ Z-Materialien/Legierungen verwendet werden könnten. Ein vorgegebener Abschnitt der Targetoberfläche 112 ist so angeordnet, dass der Strom der Elektronen 62, die durch Elektronenemitter 200 emittiert wurden und durch die Abschirmungsblende 58A traten, auf die Targetoberfläche auftreffen, um die Röntgenstrahlen 130 zur Emissionen durch das Röntgenstrahlen durchlässige Fenster 132 aus dem evakuierten Gehäuse 20 zu erzeugen.
Die hier beschriebene Erzeugung von Röntgenstrahlen kann relativ ineffizient sein. Die kinetische Energie aus dem Auftreffen der Elektronen auf der Targetoberfläche erzeugt auch große Mengen an Wärme, die die Röntgenröhre schädigen können, wenn nicht richtig damit umgegangen wird. Überschüssige Wärme kann durch eine Reihe von Ansätzen und Techniken abgeführt werden. Zum Beispiel wird in der offenbarten Ausführungsform ein Kühlmittel durch ausgewiesene Bereiche der Anodenanordnung 100 und/oder andere Bereiche der Röhre geleitet. Auch hier kann die Struktur und Konfiguration der Anodenanordnung von der hier beschriebenen abweichen, ohne den Geltungsbereich der Schutzansprüche der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In dem dargestellten Beispiel ist die Anode 106 durch die Anodenträgeranordnung 108 gestützt, die in der Regel eine Lageranordnung 118, eine Trägerwelle 120 und einer Rotorhülse 122 umfasst. Die Trägerwelle 120 ist fest an einem Teil des evakuierten Gehäuses 20 befestigt, so dass die Anode 106 drehbar um die Trägerwelle über die Lageranordnung 118 angeordnet ist, wodurch sich die Anode in Bezug auf die Trägerwelle drehen kann. Ein Stator 124 ist umfänglich um die Rotorhülse 122 angeordnet, die darin angeordnet ist. Wie allgemein bekannt ist, nutzt der Stator rotierende elektromagnetischer Felder, um die Rotorhülse 122 in Rotation zu versetzen. Die Rotorhülse 122 ist an der Anode 106 befestigt, wodurch die erforderliche Drehung der Anode während des Betriebs der Röhre erreicht wird. Auch hier ist offensichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Anodenanordnungen mit Konfigurationen, die von dieser hier beschriebenen abweichen, praktiziert werden können. Darüber hinaus kann in anderen Ausformungen der Röhre und Anwendungen die Anode stationär sein.
II. DIE ELEKTRONENEMITTERANORDNUNG
Es wird nun auf 2A-2D verwiesen, wobei weitere Einzelheiten über Ausführungsformen der Elektronenemitteranordnung 200 gegeben werden. Wie gezeigt, umfasst in diesem Beispiel die Elektronenemitteranordnung 200 eine hochschmelzende Metallfolie, die konfiguriert ist, Elektronen zu emittieren, wenn die hochschmelzende Metallfolie elektrisch angeregt wird. Die Elektronenemitteranordnung 200 umfasst eine Vielzahl von Endsegmenten 202 und eine Vielzahl von Sprossensegmenten 204, die zur Emission von Elektronen (in 1 mit 62 bezeichnet) während des Betriebs der Röhre konfiguriert sind. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektronenemitteranordnung 200 eine Vielzahl von Endsegmenten 202a-202l und eine Vielzahl von Sprossensegmenten 204a-204m, obwohl es offensichtlich ist, dass in anderen Ausführungsformen mehr oder weniger End- und Sprossensegmente in der Elektronenemitteranordnung 200 enthalten sein können.
Wie bereits erwähnt und wie in 7 gezeigt, ist die dargestellte Elektronenemitteranordnung 200 typischerweise in einem Hohlraum 56a in einer Oberfläche 56b des Kathodenkopfs 56 angeordnet, wobei die Oberfläche 56b in der Regel in Richtung der Targetoberfläche 112 ausgerichtet ist. Die Elektronenemitteranordnung 200 ist typischerweise am Kathodenkopf 56 durch Schrauben, Bolzen, Nieten, Löten, Anschellen zwischen Isolatoren oder andere geeignete Befestigungsmittel über eine Vielzahl von Löchern, die allgemein als 210 dargestellt sind, oder durch Anschellen gegen 202a befestigt.
Die Elektronenemitteranordnung 200 umfasst weiterhin mindestens zwei elektrische Anschlussstellen, die in dieser Ausführungsform als 208 dargestellt sind. Die elektrischen Anschlussstellen 208 sind in elektrischer Verbindung mit einer Stromquelle, um so den Betrieb der Elektronenemitteranordnung 200 zu ermöglichen. In der dargestellten Ausführungsform wurden die Sprossen 204a-204m elektrisch in Reihe geschaltet, wenngleich es offensichtlich ist, dass die Sprossen in anderen Ausführungsformen parallel geschaltet werden können. Typischerweise liegt der Betriebsstrom für eine in Reihe geschaltete Elektronenemitteranordnung 200 im Bereich von etwa 3 Ampere bis 10 Ampere. Wenn die Elektronenemitteranordnung 200 parallel geschaltet ist, liegt der Betriebsstrom üblicherweise in einem Bereich von etwa 30 Ampere bis etwa 50 Ampere.
So konfiguriert, emittieren die Sprossen 204a-204m Elektronen gleichzeitig während des Betriebs der Röhre. Während dieses Betriebs ist es der Mittelabschnitt 218 von jeder Sprosse 204, der Elektronen durch thermionische Emission erzeugt. Wie im Folgenden näher erläutert wird, führt die Gesamtform und Konfiguration der Elektronenemitteranordnung 200 zu ausreichender Wärmeentwicklung in den Mittelabschnitten 218 von jeder Sprosse 204 für thermionische Emission, während die Endabschnitte 202 relativ kühler sind.
2B zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Elektronenemitteranordnung 200 in Form einer kastenförmigen Mulde ausgebildet ist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Endabschnitte 202 parallel zu den Sprossenabschnitten, und die Endabschnitte 202 sind mit den Sprossenabschnitten 204 über Abwinklungen 206 verbunden. Die Elektronenemitteranordnung 200 umfasst eine erste Oberfläche 212 und eine zweite Oberfläche 214, jeweils angrenzend an Endabschnitte 202, Sprossenabschnitte 204 und Abwinklungen 206. Entweder die erste Oberfläche 212 oder die zweite Oberfläche 214 kann in Richtung der Targetoberfläche 112 der Anode 106 orientiert sein. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Oberfläche 212 in Richtung der Targetoberfläche 112 der Anode 106 orientiert.
2C zeigt eine Nahaufnahme eines Teils der Elektronenemitteranordnung 200 mit Details der Sprossenstrukturen 204. Die Elektronenemitteranordnung wird in der Regel aus einer hochschmelzenden Metallfolie gefertigt, mit einer Vielzahl von Aussparungen 220 und 222, die eine Vielzahl von horizontalen Sprossenstrukturen 204 definieren, die mit den Aussparungen 220 und 222 verschachtelt sind.
Die Form der Aussparungen 220 und 222 definiert die Form der Sprossenstrukturen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Aussparungen von der Folie 220 in der Regel breiter nach außen hin und die Aussparungen verjüngen sich in Richtung des Mittelabschnitts 222. Im Gegenzug definieren diese Aussparungen 220 und 222 eine Vielzahl von horizontalen Sprossenstrukturen, die relativ breiter in der Mitte 218 sind und in der Regel sich in Richtung der Endabschnitte 216 verjüngen.
Die Aussparungen 220 und 222 und die daraus resultierende Form der Sprossen 216 und 218 sind konfiguriert, um insbesondere Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung miteinander abzugleichen, so dass heizender elektrischer Strom die Emission von Elektronen aus einem ausgewählten Abschnitt jeder Sprosse emittiert. Das heißt, wenn die Elektronenemitteranordnung 200 durch einen elektrischen Strom geheizt wird, wird Elektronenemission aus jenen Teilen der Elektronenemitteranordnung 200 angeregt, die ausreichend heiß sind. Insbesondere ist es wünschenswert, dass ein elektrischer Strom Elektronenemission aus den Sprossen anregt, in dem er den breiten Bereich 218 in der Mitte jeder Sprosse 204 auf eine für Elektronenemission ausreichende Temperatur erhitzt, während die anderen Abschnitte jeder Sprosse relativ kühler sind. Wie weiter unten genauer erläutert wird, wird dies zumindest teilweise durch Konfigurieren der Elektronenemitteranordnung erreicht, so dass Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeverlust durch Wärmeleitung und Strahlung miteinander abgeglichen werden. Beispielsweise enthalten die in 2C dargestellten Sprossen 204 einem schmalen Abschnitt 216 und einen breiteren Abschnitt 218, die gemeinsam Stromdichte und Widerstand miteinander abgleichen, während Wärmeabführung durch Wärmeleitung in der Regel ermöglicht wird, indem die Endabschnitte 202 in thermische Verbindung mit einer Kühlerstruktur (siehe z.B. 3) gebracht werden. Der Wärmeverlust durch Wärmestrahlung hängt von Temperatur, Fläche und Zusammensetzung des Emitters ab. Diese werden berechnet und verwendet, um das letztendliche Querschnittsprofil jeder Sprosse zu bestimmen, um das gewünschte thermische Profil und die entsprechende Elektronenemission zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine Reihe von Verfahren eingesetzt werden, um Aussparungen 220 und 222 herauszutrennen und die Sprossen 204 wie in 2C dargestellt zu formen. Beispielweise wird die Elektronenemitteranordnung 200 typischerweise aus einer hochschmelzenden Metallfolie gefertigt, wie beispielsweise aus einer Wolframfolie oder einer Folie aus einer hochschmelzenden Metalllegierung, wie beispielsweise eine Legierung aus Thorium und Wolfram. Während des Fertigungsverfahrens wird die Metallfolie zuerst in die gewünschte Form zurechtgeschnitten (siehe z.B. 2B). Verschiedene Verfahren können eingesetzt werden, um die Aussparungen 220 und 222 herzustellen. Beispielsweise können die Aussparungen 220 und 222 unter Verwendung einer elektronischen Entladungsmaschine, durch Photoätzen, Laserschneiden und Kombinationen davon hergestellt werden. Wie in 2B dargestellt, kann die Folie nach dem Schneiden gebogen werden, um ein bestimmtes Profil zu erhalten. In 2B sind rechtwinklige Bögen gezeigt, es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich, wie sanftere Winkel von etwa 75°.
In 2D ist eine perspektivische Ansicht dargestellt, die die allgemeine Struktur eines Ausführungsbeispiels der Elektronenemitteranordnung 200 zeigt. 2D verdeutlicht die allgemeine Form der Elektronenemitteranordnung. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Elektronenemitteranordnung 200 aus ersten und zweiten Endabschnitten und einem Mittelabschnitt, der parallel zu den Endabschnitten ist und, wie dargestellt, befindet sich der Mittelabschnitt unterhalb der Endabschnitte. Erste und zweite Endabschnitte sind beispielsweise als 202a-202l sowie 208a und 208b dargestellt. Mittelabschnitte sind beispielsweise als 204a-204m dargestellt. Die Endabschnitte und der Mittelabschnitt bilden ein durchgehendes, elektrisch leitfähiges Element. Als solches ist der Mittelabschnitt mit den Endabschnitten durch abgewinkelte Segmente 206 verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein Elektronenemitter ähnlich dem in 2A-2D dargestellten aus langgestreckten filamentartigen Drähten oder Stäben gefertigt werden. In beiden Fällen werden die Drähte oder Stäbe in Längsrichtung in eine Stromleitungsbahn eingefügt, um elektrische Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeverlust durch Wärmeleitung und Strahlung zu steuern. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die oben erwähnten Stäbe in ihrer Längsrichtung halbiert werden, um die flache Seite eines Halbkreises auf die Anode zu richten. Die geschnittenen Stäbe würden in Längsrichtung in eine Stromleitungsbahn eingefügt, um elektrische Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeverlust durch Wärmeleitung und Strahlung zu steuern.
3 zeigt eine Elektronenemitteranordnung 200, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Wärmesenkeblöcken 230 und 232 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Elektronenemitteranordnung 200 zwischen Wärmesenken 230 und 232 angeordnet. Insbesondere sind die Endabschnitte 202a-202l der Elektronenemitteranordnung 200 in thermischer Verbindung mit der jeweils benachbarten Wärmesenke 230 und 232, um so einen Wärmepfad zwischen der Elektronenemitteranordnung 200 und den Wärmesenken 230 und 232 bereitzustellen. Diese Konfiguration ermöglicht das Abführen von Wärme aus beiden Enden der Elektronenemitteranordnung 200 zu Wärmesenken 230 und 232. Wärmeabfuhr aus der Elektronenemitteranordnung 200 ist wichtig, um Wärmestau im Emitter in Grenzen zu halten und um die Bereiche des Emitters zu regeln, die Elektronen emittieren. So angeordnet befinden sich insbesondere in dieser Ausführungsform die Segmente der Elektronenemitteranordnung 200 in einer parallelen thermischen Konfiguration zueinander.
Das Verbinden der Elektronenemitteranordnung 200 mit Wärmesenken wie in 3 dargestellt hat den zusätzlichen Vorteil, dass Elektronenemission schnell ein- und ausgeschaltet werden kann. Das heißt, der Strahlenstrom kann mit minimaler Verzögerung geändert werden. Änderung des Strahlenstroms auf diese Weise wird durch Ändern der Stromversorgung, d.h. des Stroms, mit dem Elektronenemitter 200 versorgt wird, erreicht.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen. 4 ist eine graphische Darstellung der Elektronenemission eines Wolfram-Elektronenemitters als Funktion der Temperatur. Die in 4 dargestellte Beziehung kann auch durch folgende Gleichung beschrieben werden: $emittierte mA pro Quadratmillimeter = {AT}^{2} e^{- (Φ / kT)}$
A ist eine Konstante die für Wolframemitter in der Regel 20×10⁶ mA/mm²K² beträgt. Austrittsarbeit Φ ist die minimale Energie (in Elektronenvolt gemessen), die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Feststoff zu einem Punkt direkt außerhalb der Feststoffoberfläche zu übertragen. Die Austrittsarbeit für einen bestimmten Elektronenemitter ist spezifisch für das Material bzw. die Materialien, aus dem bzw. denen der Emitter gefertigt wurde. k ist die Boltzmann-Konstante und hat einen Wert von 8,62×10^-5 eV/K. T ist die Temperatur des Elektronenemitters in Kelvin. Der in 4 dargestellte Graph ist spezifisch für Wolfram und beruht auf einem Wert für die Austrittsarbeit Φ = 4,55 eV. Werte der Austrittsarbeit sind bekannt oder können für andere Materialien mit bekannten Methoden bestimmt werden.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann es wünschenswert sein, den Wert der Austrittsarbeit der Elektronenemitteranordnung zu ändern, um die Elektronenemission zu beeinflussen. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, die Elektronenemitteranordnung mit Thorium-dotiertem Wolfram (d.h. thoriertem Wolfram) mit einem Wert der Austrittsarbeit von etwa 2,7 eV gegenüber 4,55 eV für reines Wolfram zu fertigen. Ein niedrigerer Wert der Austrittsarbeit bedeutet beispielsweise, dass ein aus thoriertem Wolfram gefertigter Elektronenemitter Elektronen leichter emittieren wird, als ein mit einem Material mit einem höheren Wert der Austrittsarbeit, wie beispielsweise Wolfram, gefertigter. Es ist daher offensichtlich, dass die Änderung des Werts der Austrittsarbeit des Materials, das zur Fertigung der Elektronenemitteranordnung verwendet wurde, eine Möglichkeit darstellt, die Elektronenemission aus dem Emitter zu steuern.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält das Thorium-dotierte Wolfram weiterhin eine Kohlenstoff-Dotierung. Das heißt, das thorierte Wolfram ist aufgekohlt. Aufkohlung einer thorierten Wolfram-Elektronenemitteranordnung wird in der Regel erreicht, indem die gesamte Elektronenemitteranordnung einer Wärmebehandlung in einer Kohlenwasserstoffatmosphäre, bestehend aus einem Wasserstoffträgergas und Benzol, Naphthalin, Acetylen oder Xylol ausgesetzt wird. Wenn die Elektronenemitteranordnung in Gegenwart des Kohlenwasserstoffs auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2000 °C erhitzt wird, zersetzt sich der Kohlenwasserstoff an der heißen Filamentoberfläche unter Bildung von Wolframcarbid, das in das Wolfram diffundiert. Zugabe der Kohlenstoffdotierung führt zu einer bedeutenden Erhöhung der Lebensdauer von aus thoriertem Wolfram gefertigten Elektronenemitteranordnungen, in dem die Verdampfungsrate von Thorium aus thoriertem Wolfram gesenkt wird.
Wie aus 4 und Gleichung 1 offensichtlich wird, hängt die Elektronenemission aus dem Elektronenemitter sehr stark von der Temperatur des Elektronenemitters ab. Eine spürbare Zunahme der Elektronenemission von Wolfram findet man in einem relativ engen Temperaturbereich von etwa 2100 °C bis zur Sättigung bei ca. 2500 °C, wo eine Erhöhung der Temperatur zu keiner weiteren Erhöhung des Elektronenflusses führt. Aus 4 und Gleichung 1 wird ebenfalls offensichtlich, dass Elektronenemission bei einem Temperaturabfall von jeweils etwa 80 °C um etwa einen Faktor 2 sinkt.
Es wird nun auf 5A, 5B und 5C Bezug genommen. 5A und 5C zeigen eine Temperatursimulation, die einen beispielhaften Temperaturgradienten eines Abschnitts einer Elektronenemitteranordnung 200 und das daraus resultierende Elektronenemissionsprofil zeigt. 5A zeigt zwei Halbsprossen 204 in einem Schnitt durch die Mitte des Elektronenemitters 200. In der Simulation wird der Elektronenemitter direkt mit einem Strom von etwa 5 Ampere erhitzt. Die Sprossen 204 bestehen jeweils aus einem Mittelabschnitt 218, der relativ breiter ist als schmalerer Abschnitt 216 und sich in dessen Richtung verjüngt, einer Abwinklung und einem Endabschnitt 202. Die in 5A graphisch dargestellte Simulation stellt ein typisches Temperaturprofil einer Elektronenemitteranordnung 200 in Betrieb dar. 5B ist eine graphische Darstellung der Temperatur des Anteil der Elektronenemitteranordnung 200 und der beiden Sprossen 204 als Funktion des Abstands von der Mitte der Sprosse.
Wie aus 5A und 5B offensichtlich wird, ist die Temperatur des Elektronenemitters in der Mitte der Sprossen 218 höher, und die Temperatur fällt stark ab, je größer der Abstand von der Mitte wird. In der dargestellten Simulation liegt die Temperatur des Elektronenemitters 200 im Bereich von etwa 2200 °C in der Mitte der Sprosse 218 und bei etwa 700 °C am Endabschnitt 202. In Betrieb liegt der Temperaturgradient des Elektronenemitters 200 typischerweise im Bereich von etwa 2500 °C in der Mitte der Sprossen 218 bis etwa 700 °C an den Enden 202. Unter Bezugnahme auf 4 und Gleichung 1 sowie 5A und 5B wird offensichtlich, dass aufgrund des in 5A dargestellten engen Temperaturprofils der Elektronenemitter 200 Elektronen aus einem relativ kleinen Gebiet emittieren wird. Es ist daher offensichtlich, dass eine Möglichkeit zur Veränderung des Elektronenemissionsprofils des Emitters und damit der Elektronenfokussierung in der Gestaltung des Temperaturverlaufs der Elektronenemitteranordnung 200 besteht.
Als solches stellt 5C eine Nahaufnahme eines Elektronenemitters 200 dar, die die relativ kleine Fläche des Elektronenemitters 200 zeigt, die Elektronen emittiert und die kollinearen Bahnen der von Elektronenemitter 200 emittierten Elektronen. Da die Elektronen aus einem relativ kleinen, relativ flachen Bereich emittiert werden, bedarf es relativ wenig Struktur, um die emittierten Elektronen zu steuern oder zu lenken. Dementsprechend werden die Abmessungen und die Form des Elektronenemitters 200 so ausgewählt, dass die emittierten Elektronen in zwei Dimensionen fokussiert werden. In 5C liegt die X-Z-Ebene in der Ebene des Papiers und die Y-Achse steht senkrecht zur Papierebene. In der dargestellten Ausführungsform erzeugt die Elektronenemitteranordnung 200 einen Elektronenstrahl, der in der X-Z-Ebene fokussiert ist. Dementsprechend ist der Elektronenemitter so geformt, dass Elektronen in einem schmalen Band entlang der Y-Achse des Elektronenemitters emittiert werden und ein elektronisches Feld ist derart gestaltet, um den Elektronenstrahl in der X-Z-Ebene zu fokussieren. Insbesondere gestalten die abgewinkelten Seiten 206 des Elektronenemitters 200 die elektrischen Feldlinien, die den Strahl 240 in Richtung der Targetanode (112 in 1) fokussieren.
Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung der Fokussierung des Elektronenstrahls 240 im Vergleich zu Röntgenapparaten mit konventionellen Glühwendeln dar. Darüber hinaus ist das hier beschriebene Elektronenemitter-Design viel weniger empfindlich gegenüber Schwankungen in der Röntgenröhrengeometrie. Beispielsweise stellen die abgewinkelten Seiten 206 des Elektronenemitters 200 die gesamte erforderliche Fokussierung bereit, um einen sehr kleinen Brennfleck (0,2 mm Breite) bei einem relativ großen Anode-zu-Kathode-Abstand (~ 33 mm) bei hohem Strahlstrom (500 mA) zu erzeugen.
Aufgrund der obigen Beschreibung wird offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Elektronenemitteranordnung umfasst. Eine erfindungsgemäße Elektronenemitteranordnung umfasst eine hochschmelzende Metallfolie, die konfiguriert ist, Elektronen zu emittieren, wenn die hochschmelzende Metallfolie elektrisch angeregt wird, und Einrichtungen zur Fokussierung der Elektronen in zwei Dimensionen, um so einen Elektronenstrahl zu definieren.
In einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung Einrichtungen zur Fokussierung der durch einen Elektronenemitter emittierten Elektronen in zwei Dimensionen, um so einen Elektronenstrahl zu definieren. Der Elektronenstrahl wird in der Regel in einer Ebene durch zwei der kartesischen Koordinaten (z.B. X-Y oder X-Z) definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl in der X-Z-Ebene fokussiert.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gleicht die Einrichtung zur Fokussierung der Elektronen in zwei Dimensionen eine Vielzahl von physikalischen Eigenschaften der hochschmelzenden Metallfolie ab, einschließlich Eigenschaften wie Stromdichte, elektrischer Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung. Wie oben beschrieben setzt der Elektronenemitter bei Erhitzen durch einen elektrischen Strom Elektronen frei, und Elektronenemission hängt stark von der Temperatur des Elektronenemitters ab. Auslegen des Elektronenemitters so, dass Stromdichte, elektrischer Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung miteinander abgeglichen werden, stellt beispielsweise eine Einrichtung zum Emittieren eines in zwei Dimensionen gestalteten Elektronenstrahls bereit, in dem der Bereich des Elektronenemitters der Elektronen emittiert auf einen definierten Bereich der Elektronenemitteranordnung 200 begrenzt wird.
In einer verwandten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestaltet die Einrichtung zur Fokussierung der Elektronen in zwei Dimensionen das elektrische Feld. Wie unter Bezugnahme auf 5C beschrieben wurde, sind die Seiten des Elektronenemitters so konfiguriert, dass elektrische Feldlinien so gestaltet werden, dass die Elektronen, die aus einem schmalen Bereich des Elektronenemitters emittiert werden, in zwei Dimensionen fokussiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Feld so gestaltet, dass der Elektronenstrahl in der X-Z-Ebene fokussiert wird, jedoch fallen Konfigurationen, die den Elektronenstrahl in anderen Ebenen des kartesischen Systems fokussieren, ebenfalls in den Rahmen der hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen. 6 zeigt ein mögliches Beispiel für den Einbau der Elektronenemitteranordnung 200, wobei eine in Kathodenkopf 56 angeordnete Elektronenemitteranordnung 200 dargestellt wird. Wie in vorangegangenen Ausführungsformen umfasst die Elektronenemitteranordnung 200 eine Vielzahl von Sprossensegmenten 204a-204m. Die Elektronenemitteranordnung 200 befindet sich in einem Hohlraum 56a in der Oberfläche 56a des Kathodenkopfs 56. In dieser Anordnung ist die Elektronenemitteranordnung 200 ausgerichtet, nach Anregung einen Strom von Elektronen zu emittieren. Man beachte, dass obwohl sich die Filamentanordnung mittig auf der Kathodenkopfoberfläche 56A befindet, die Filamentanordnung gegebenenfalls in anderen Ausführungsformen achsenfern in Bezug auf die Kathodenkopfmitte angeordnet werden könnten. Diese Möglichkeit besteht bei jedem der hier beschriebenen Ausführungsformen.
Jedes der Sprossensegment 204a-204m ist in einer bestimmten Konfiguration gestaltet, wie am besten aus 2A und 2C ersichtlich ist. Nach wie vor enthält jedes Sprossensegment 204a-204m einen Mittelabschnitt 218, der konfiguriert ist, Elektronen während des Betriebs der Röntgenröhre zu emittieren, und zwischen zwei benachbarten Endabschnitten 216 angeordnet ist. In der in 6 dargestellten Perspektive sind die Endabschnitte 202 der Elektronenemitteranordnung 200 relativ flach in Bezug auf die Kathodekopfoberfläche 56B, während sich die Mittelabschnitte 216 und 218 unterhalb der Kathodekopfoberfläche 56B befinden. Diese Konfiguration der Endabschnitte 202 und der Mittelabschnitte 216 und 218 bietet in wünschenswerter Weise einen selbstfokussierenden Effekt für die aus dem Mittelabschnitt 218 emittierten Elektronen.
Die Sprossensegmente 204a-204m sind miteinander über eine Vielzahl von Verbindungen in den Endabschnitten 202 verbunden, so dass die Segmente miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Zwei äußere Endabschnitte 208a und 208b sind elektrisch mit einem entsprechenden Anschluss 214 verbunden. Man beachte, dass obwohl Sprossensegmente hier in Reihe geschaltet sind, diese alternativ gegebenenfalls auch elektrisch parallel geschaltet werden könnten.
Die Endabschnitte 202 sind an einem von zwei thermisch leitfähigen Isolatoren 230 und 232 angebracht, die an gegenüberliegenden Enden des Kathodenkopfhohlraums 56A angeordnet sind. Damit ist die Elektronenemitteranordnung 200 in Bezug auf den Kathodenkopf 56 elektrisch isoliert, während Wärmeaustausch der Filamentanordnung in Bezug auf den Kathodenkopf ermöglicht wird. In einer alternativen Ausführungsform ist die Elektronenemitteranordnung 200 auf einem schlechten Wärmeleiter angeordnet, um die Menge an Abwärme, die an die Kathodenkopfanordnung 56 abgeführt wird, zu begrenzen.
Allgemein wird nun auf 7A-7D Bezug genommen. Wie oben erwähnt, kann die erfindungsgemäße Elektronenemitteranordnung auch andere Konfigurationen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche der vorliegenden Erfindung umfassen.
7A zeigt eine alternative Ausführungsform einer Elektronenemitteranordnung 300a, die eine feste hochschmelzende Metallfolie mit einem Vertiefungsbereich 302 umfasst. Der Vertiefungsbereich 302 ist vorhanden, um Maßhaltigkeit zu bieten, so dass der Elektronenemitter 300a eine vorhersagbare Abstrahlfläche bietet. Der Vertiefungsbereich 302 könnte entweder in Richtung des Targets oder entgegengesetzt dazu gebogen sein. Der Elektronenemitter 300a kann durch Löten, Klemmen oder anderweitig an der Wärmesenke befestigt werden und in einem Kathodenkopf zur Emission von Elektronen wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen angeordnet werden.
7B zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Elektronenemitteranordnung 300b, die in vieler Hinsicht ähnlich zu 7A ist. Der Elektronenemitter 300b besteht aus einer festen hochschmelzenden Metallfolie mit einem Vertiefungsbereich 302b. Darüber hinaus enthält Elektronenemitter 300b eine Vielzahl von Schlitzen 304a zur Wärmeableitung.
7C zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Elektronenemitteranordnung 300c, die in vieler Hinsicht ähnlich zu 7A ist. Der Elektronenemitter 300c besteht aus einer festen hochschmelzenden Metallfolie mit einem Vertiefungsbereich 302c mit einer Vielzahl von Querschlitzen zur Erhöhung der Stromdichte im Vertiefungsbereich 302c. Ausgelegt, um die Emission von der Mitte der Folie zu erhöhen.
Schließlich zeigt 7D eine weitere alternative Ausführungsform einer Elektronenemitteranordnung 300d, die in vieler Hinsicht ähnlich zu 7A ist. Der Elektronenemitter 300d besteht aus einer festen hochschmelzenden Metallfolie mit einem komplexen Vertiefungsbereich 302b, um Elektronenemitterfelder zu gestalten. Darüber hinaus enthält Elektronenemitter 300d eine Vielzahl von Schlitzen 304d zur Wärmeableitung.
Zusätzlich zu den dargestellten Ausführungsformen kann die Stärke von einer Seite zur anderen geändert werden, um das thermische Emissionsprofil zu gestalten.
Es sind weitere spezifische Ausführungsformen innerhalb der Lehre und der wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung denkbar. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen in jeder Hinsicht nur der Illustrierung und werden in keineswegs als einschränkend betrachtet. Der Anwendungsbereich der Erfindung wird daher durch die Ansprüche bestimmt und nicht durch die obige Beschreibung. Sämtliche Änderungen im Sinne und Umfang der Gleichwertigkeit der Ansprüche fallen somit in den Anwendungsbereich.

Claims

Elektronenemitteranordnung, umfassend: eine hochschmelzende Metallfolie, die ausgelegt ist, einen Fluss von Elektronen zu emittieren, wenn die Metallfolie elektrisch angeregt wird, und Einrichtung zur Steuerung der Emission der Elektronen in zwei Dimensionen, um so einen Elektronenstrahl zu definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung der Emission der Elektronen eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Sprossen der Metallfolie umfasst, wobei jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, und wobei jeweils der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Fokussierung des Elektronenstrahls in zwei Dimensionen als elektrisches Feld ausgebildet ist, und wobei die Einrichtung abgewinkelte Seiten Metallfolie umfasst.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektronenstrahl in einer X-Z-Ebene fokussiert wird.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 1, wobei die hochschmelzende Metallfolie ferner eine Vielzahl von Aussparungen umfasst, die die Vielzahl von Sprossen definieren.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 4, wobei ein Querschnitt von jeder Sprosse so ausgelegt ist, dass die Vielzahl von Sprossen gemeinsam einen im Wesentlichen parallelen Elektronenstrahl emittieren, wenn die hochschmelzende Metallfolie angeregt wird.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 4, wobei jede Sprosse einen zugehörigen Temperaturgradienten aufweist, der ein temperaturabhängiges Elektronenemissionsprofil definiert, bei dem der Elektronenfluss bei einem Temperaturabfall von jeweils etwa 80 °C um etwa einen Faktor 2 sinkt.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 6, wobei wobei der Temperaturgradient im Bereich von etwa 2500 °C im Mittelabschnitt bis etwa 700 °C an den beiden Endabschnitten liegt.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 4, wobei die Sprossen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 4, wobei die Sprossen elektrisch miteinander parallel geschaltet sind.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der hochschmelzenden Metallfolie einen Wärmeübertragungspfad zu einer Wärmesenke definiert.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 1, wobei die hochschmelzende Metallfolie Wolfram, Tantal, eine Wolfram-Tantal-Legierung oder eine Wolfram-Thorium-Legierung und Kombinationen davon umfasst.
Elektronenemitteranordnung nach Anspruch 11, wobei die hochschmelzende Metallfolie ferner eine Kohlenstoff-Dotierung umfasst.
Röntgenröhre, umfassend: ein Vakuumgehäuse; eine Anode innerhalb des Vakuumgehäuses mit einer Targetoberfläche; und eine Kathode, die von der Targetoberfläche beabstandet ist, wobei die Kathode eine Elektronenemitteranordnung enthält, umfassend: eine hochschmelzende Metallfolie, die zum Emittieren eines Elektronenstrahls ausgelegt ist, der thermisch in zwei Dimensionen gesteuert wird, wobei die hochschmelzende Metallfolie umfasst: erste und zweite Endabschnitte, einen Mittelabschnitt, der versetzt und parallel zu den Endabschnitten ist, und eine Vielzahl von Aussparungen, die eine Vielzahl von horizontalen Sprossen definieren, wobei die Vielzahl von horizontalen Sprossen mit der Vielzahl von Ausschnitten verschachtelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, wobei jeweils der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte.
Röntgenröhre nach Anspruch 13, wobei die Anode eine Festanode ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 13, wobei die Anode eine rotierende Anode ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 13, die weiterhin eine Wärmesenke umfasst, die in thermischer Verbindung mit mindestens einem Teil der hochschmelzenden Metallfolie steht.
Röntgenröhre nach Anspruch 13, wobei jede der Vielzahl von Sprossen eine Form definiert, die elektrische Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung abgleicht, so dass ein heizender elektrischer Strom Emission von Elektronen aus einem ausgewählten Teil einer jeden Sprosse nach einem vorgegebenen Profil anregt.
Röntgenaufnahmeanordnung, umfassend: einen Röntgendetektor; und eine Röntgenquelle, umfassend: ein Vakuumgehäuse; eine Anode innerhalb des Vakuumgehäuses mit einer Targetoberfläche; und eine Kathode, die von der Targetoberfläche beabstandet ist, wobei die Kathode eine Elektronenemitteranordnung enthält, umfassend: einen hochschmelzenden Metallfolienemitter, der zum Emittieren eines Elektronenstrahls ausgelegt ist, der in zwei Dimensionen fokussiert wird, wobei die hochschmelzende Metallfolie umfasst: erste und zweite Endabschnitte, einen herabgesetzten Mittelabschnitt sowie eine Vielzahl von Aussparungen, die eine Vielzahl von Sprossen definieren, wobei die Vielzahl von Sprossen mit der Vielzahl von Ausschnitten verschachtelt ist, und wobei der Querschnitt jeder Sprosse gewählt ist, um Stromdichte, Widerstand sowie Wärmeleitung und Strahlung abzugleichen, so dass ein fokussierter Elektronenstrahl gemeinsam von den Sprossen emittiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sprosse einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte aufweist, wobei jeweils der Mittelabschnitt einen relativ größeren Querschnitt aufweist als die Endabschnitte
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 18, wobei die Sprossen im Wesentlichen parallel zueinander zwischen den ersten und zweiten Endabschnitten angeordnet sind.
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 18, wobei die Kathode ferner eine Wärmesenke umfasst, die in thermischer Verbindung mit mindestens einem Teil der hochschmelzenden Metallfolie steht.
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 18, wobei die hochschmelzende Metallfolie aus Wolfram, Tantal, einer Wolfram-Tantal-Legierung oder einer Wolfram-Thorium-Legierung und Kombinationen davon hergestellt wird.
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 21, wobei die hochschmelzende Metallfolie weiterhin eine Kohlenstoff-Dotierung umfasst.
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 18, wobei die hochschmelzende Metallfolie aus einer Wolfram-Thorium-Legierung gefertigt wird.
Röntgenaufnahmeanordnung nach Anspruch 23, wobei die Wolfram-Thorium-Legierung weiterhin eine Kohlenstoff-Dotierung umfasst.