DE19800773C1 - Indirekt geheizte Kathode mit hoher Lebensdauer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine indirekt geheizte Kathode mit hoher Lebensdauer, insbesondere für Röntgenröhren, bei der die Elektronenstrahl-Emissionsfläche von einem im Abstand dahinter angeordneten Heizer erhitzt wird. Die Erhitzung der Emissionsfläche erfolgt durch die aus dem Heizer austretenden Elektronen, die durch ein elektrisches Feld auf die Rückseite der Emissionsfläche beschleunigt werden.

In Schweißanlagen oder in Röntgenröhren für Materialuntersu­ chungen benötigt man über viele Tage oft sehr hohe Ströme von bis zu 1000 mA. Da die Lebensdauer reziprok zu dem Kathoden­ strom ist, unterscheiden sich diese Elektronenkanonen von dem aus der medizinischen Röntgentechnik bekannten Aufbau. Es verbietet sich dabei, eine direkt geheizte Kathode zu verwen­ den, da hierbei die häufig geforderten Standzeiten von mehre­ ren tausend Stunden nicht erzielt werden können.

Aus der US 3 440 475 ist eine indirekt geheizte Kathode be­ kannt, bei der die Erhitzung der Emissionsfläche durch die aus dem Heizer austretenden Elektronen, die durch ein elek­ trisches Feld auf die Rückseite der Emissionsfläche beschleu­ nigt werden, erfolgt.

Eine sehr hohe Standzeit der Emissionsfläche einer Kathode läßt sich zwar erzielen, wenn die Kathode beispielsweise ein massives Wolframtöpfchen umfaßt, das über einen dahinter an­ geordneten Heizer indirekt erhitzt wird. Die eigentliche Wolframkathode kann sehr hohe Standzeiten aushalten, doch wird dabei leider das Problem der Standzeit lediglich verla­ gert, da nunmehr die nur begrenzte Standzeit des Heizers zu überwinden ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine indirekt geheizte Kathode der eingangs genannten Art so auszugestal­ ten, daß auch bei sehr hohen Strömen hohe Standzeiten der Ka­ thode gewährleistet sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Heizer als flacher Rundstrahlemitter ausgebildet ist, der mit niedriger Temperatur und hoher Beschleunigungsspannung gegenüber der Emissionsfläche betrieben wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich zum ei­ nen eine sehr gleichmäßige Erwärmung der Elektronenstrahl- Emissionsfläche der Kathode durch die sehr homogene Ausbil­ dung des Heizelektronenstrahls, der vom flachen Rundstrahle­ mitter abgestrahlt und von rückwärts auf die auf der Gegen­ seite die Elektronenstrahl-Emissionsfläche bildende Platte beschleunigt wird. Allein die Gleichmäßigkeit der Elektronen­ verteilung, die auf die Rückseite der Emissionsfläche auf­ trifft, ergibt eine höhere Standzeit bei einem vorgegebenen Strom und demzufolge einer hierzu benötigten Erwärmung der Emissionsfläche. Die Erwärmung der Emissionsfläche hängt von der vom flachen Rundstrahlemitter von rückwärts aufge­ brachten Gesamtenergie des Heizelektronenstrahls ab, also vom Produkt n . e . U, wobei n die Anzahl der Elektronen ist, die vom Heizer ausgehen, e die Elementarladung und U die Spannung zwischen dem Heizer und der Emissionsfläche. Will man nunmehr eine bestimmte Heizwirkung und damit einen bestimmten Ge­ samtstrom von der Emissionsfläche aus erzielen, so ist ein bestimmtes Produkt von n . e . U notwendig und dies soll ge­ mäß dem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, daß man nicht die Zahl der Elektronen er­ höht, die vom Heizer abgestrahlt werden, sondern die Spannung zwischen Heizer und der eigentlichen Emissionsfläche der Ka­ thode. Die Erhöhung der Beschleunigungsspannung für die Hei­ zelektroden und die dadurch mögliche Reduzierung der für die Erreichung einer bestimmten Heizenergie benötigten vom Heizer abgestrahlten Elektronen hat nämlich zur Folge, daß der Hei­ zer nicht allzu hoch aufgeheizt werden muß. Die Anzahl der abgestrahlten Elektronen ist ja eine Funktion der Temperatur des Heizers. Wenn man aber die Temperatur des Heizers relativ niedrig halten kann, so bedeutet dies, daß er eine erhöhte Standzeit hat. Das Zusammenwirken der vorstehend beschriebe­ nen Merkmale ergibt somit insgesamt eine erhöhte Standzeit der Kathode infolge einer hohen Standzeit der gleichzeitig von rückwärts mit Wärme beaufschlagten, eigentlichen Emissi­ onsfläche der Kathode und der hohen Standzeit des Heizers, der die Aufheizung dieser Emissionsfläche bewirkt.

Der Heizer kann dabei als flache Heizspirale ausgebildet sein oder aber bevorzugt als direkt geheizter Flachemitter mit zwei am Umfangsrand angeordneten Anschlußfahnen für die Heiz­ stromzuführung, dessen Emissionsfläche durch Schnitte in Lei­ terbahnen unterteilt ist.

Entsprechend dem Vorschlag in einer älteren Patentanmeldung kann dabei mit besonderem Vorteil die Schnittführung zumin­ dest teilweise entsprechend der Außenform des Flachemitters so gewählt sein, daß die gebildeten Leiterbahnen im wesentli­ chen über die gesamte Emissionsfläche des als Heizer dienen­ den Rundstrahlemitters den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Dadurch ergibt sich eine äußerst gleichmäßige Tem­ peraturverteilung des als Heizer dienenden direkt geheizten Flachemitters und daraus resultierend wiederum auch eine sehr gleichmäßige Erhitzung der Elektronenstrahl-Emissionsfläche der Kathode von rückwärts.

Mit besonderem Vorteil kann die Ausbildung dabei so getroffen sein, daß der erfindungsgemäße Heizer in einem Kathodentöpf­ chen angeordnet ist, bei dem zumindest der die Emissionsflä­ che bildende Deckel aus Wolfram besteht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Drehkolben­ röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen indirekt geheizten Kathode,

Fig. 2 und 3 eine Aufsicht bzw. einen Schnitt der als Heizer in Fig. 1 verwendeten gewickelten Wolframwendel, und

Fig. 4 eine Ansicht des Zuschnitts eines direkt geheizten Flachemitters, der anstelle der Wolframwendel nach den Fig. 2 und 3 eingesetzt werden kann, wobei die Anschlußfahnen des Flachemitters in der Darstellung nach Fig. 4 noch nicht abgewinkelt sind.

Für die vorliegende Erfindung ist lediglich die Konstruktion der Kathode der in Fig. 2 gezeigten Drehkolbenröntgenröhre von Interesse, so daß die übrigen Teile dieser Röhre, die an sich alle bekannt sind, an dieser Stelle nicht beschrieben werden. Die gezeigte Kathode weist einen Wehnelt-Zylinder 1 auf, in dessen Zentralbohrung ein Kathodentöpfchen 2 angeord­ net ist, das ganz oder zumindest im Bereich seines Deckels 3 aus Wolfram besteht. Dieser Deckel 3 bildet die Emissionsflä­ che für den Elektronenstrahl der Röntgenröhre.

Zur Erhitzung des Kathodentöpfchens, also insbesondere zur Erhitzung des Deckels 3, ist ein Heizer 4 in Form einer in den Fig. 2 und 3 dargestellten, spiralförmig in einer Ebene gewickelten Wolframwendel 5 vorgesehen, wobei die Enden der Wolframwendel 5 als Anschlußdrähte 6 und 7 in an sich bekann­ ter Weise über Isolierröhrchen 8 nach außen geführt sind.

Die Röhrchen 9 dienen zum Abstützen des Kathodentöpfchens 2, in denen auch die Zuführungen für die negative Kathoden­ spannung gegenüber dem Potential der Anode 10 verlaufen. Die in Abstand vom Deckel 3 angeordnete Wolframwendel 5 emittiert mit einer relativ gleichmäßigen Verteilung Elektronen, die von einem möglichst starken elektrischen Feld gegen den Dec­ kel 3 beschleunigt werden sollen, so daß eine hohe Heizlei­ stung bei gleichzeitig geringer Elektronenzahl und damit ge­ ringer Temperatur der Wendel 5 erzielt werden kann. Anstelle der gewickelten Wolframwendel 5 nach den Fig. 1 bis 3 kann als Heizer auch ein direkt geheizter Flachemitter 4', wie er in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, verwendet werden. Da­ bei ist eine runde Metallplatte 11 mit einander gegenüberlie­ gend angeordneten Anschlußfahnen 12, die beim Einsatz um 90° nach rückwärts abgewinkelt sind, so daß sie als Stromzufüh­ rungen entsprechend den Anschlußdrähten 6 und 7 in Fig. 1 wirken können, durch Schnitte in Leiterbahnen unterteilt. Die Schnittführung ist dabei zumindest teilweise entsprechend der Außenform des Flachemitters 4' so gewählt, daß die gebildeten Leiterbahnen, die sich mäanderförmig verschlungen von einer Anschlußfahne 12 zur anderen Anschlußfahne 12 erstrecken, im wesentlichen über die gesamte Emissionsfläche den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.

Claims (5)

1. Indirekt geheizte Kathode mit hoher Lebensdauer, insbeson­ dere für Röntgenröhren, bei der die Elektronenstrahl-Emis­ sionsfläche von einem im Abstand dahinter angeordneten Heizer erhitzt wird und aus diesem austretende Heizelektronen durch ein elektrisches Feld auf die Rückseite der Emissionsfläche be­ schleunigt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizer (4) als flacher Rund­ strahlemitter ausgebildet ist, der mit niedriger Temperatur und hoher Beschleunigungsspannung gegenüber der Emissionsflä­ che betrieben wird.

2. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Heizer eine flache Wolframwendel (5) ist.

3. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Heizer ein direkt geheizter Flachemitter (4') mit zwei am Um­ fangsrand angeordneten Anschlußfahnen (12) für die Heizstrom­ zuführung ist, dessen Emissionsfläche durch Schnitte in Lei­ terbahnen unterteilt ist.

4. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schnittführung zumindest teilweise entsprechend der Außenform des Flachemitters (4') so gewählt ist, daß die gebildeten Leiterbahnen im wesentlichen über die gesamte Emissionsfläche den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.

5. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (4) in einem Kathodentöpfchen (2) angeordnet ist, bei dem zumindest der die Emissionsfläche bildende Dec­ kel (3) aus Wolfram besteht.