DE19828158C1 - Indirekt geheizte Kathode, insbesondere für Röntgenröhren - Google Patents

Abstract

Zum Erreichen einer homogenen Elektronenemission ist der Elektronenemissionskörper (2) topfförmig ausgebildet und weist einen kurzen Mantel (4) auf. Durch den kurzen Mantel (4) ist die Wärmeabstrahlung reduziert und die Elektronenemission homogener. Ferner ist gemäß der Erfindung alternativ oder zusätzlich vorgesehen, daß das elektrische Feld beim Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen dem Heizelement (3) und der Elektronenemissionsfläche (1) im Zentrum der Elektronenemissionsfläche (1) kleiner als im Randbereich ist. Auch hierdurch wird eine homogene Elektronenemission bei hoher Standzeit der Kathode gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine indirekt geheizte Kathode, insbe­ sondere für Röntgenröhren, bei der die Elektronenemissions­ fläche eines Elektronenemissionskörpers von einem im Abstand dahinter angeordneten Heizelement erhitzbar ist. Die Erhit­ zung der Elektronenemissionsfläche erfolgt aufgrund der Ener­ giezufuhr zu dem Heizelement derart, daß dieses Elektronen emittiert, die durch ein zwischen dem Heizelement und der Elektronenemissionsfläche erzeugtes elektrisches Feld auf die Rückseite der Elektronenemissionsfläche beschleunigt werden. Die hierdurch sich erhitzende Elektronenemissionsfläche er­ zeugt wiederum Elektronen, die, beispielsweise bei Röntgen­ röhren, durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Fel­ des auf eine Anode beschleunigt werden, wo sie Röntgenstrah­ lung erzeugen.

Im wesentlichen ist die Kathode das die Lebensdauer der Rönt­ genröhre begrenzende Element, was insbesondere darauf zurück­ zuführen ist, daß beim Erhitzen des beispielsweise aus Wolf­ ram bestehenden Heizelementes Wolfram verdampft, was schließ­ lich zur Zerstörung des Heizelementes führt. Je höher die Temperatur des Heizelementes ist, um so größer ist auch des­ sen Verschleiß. Wünschenswert sind Röntgenröhren, die mit ei­ nem Strom von bis zu 1.000 mA betrieben werden können und eine Betriebsdauer von 1.000 Stunden erreichen. Derart lei­ stungsgesteigerte Röntgenröhren erschließen neue Anwendungs­ gebiete, beispielsweise das der Materialuntersuchung, der Ge­ päckdurchleuchtung und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, neben beispielsweise auch extrem kurzen Belichtungszeiten bei der Untersuchung von bewegten Objekten bei bildgebenden Systemen. Neben der hohen Belastbarkeit und Betriebsdauer ist eine gleichmäßige Emission von der Elektronenemissions­ fläche ausgehenden Elektronen von großem Vorteil, insbeson­ dere dann, wenn Röntgenbilder eines Untersuchungsobjektes er­ stellt werden sollen. Für eine gleichmäßige Emission von Elektronen aus der Elektronenemissionsfläche ist eine homo­ gene Temperaturverteilung nötig, die sich bei konventionellen Heizelementen, die als Wolframwendeln ausgeführt sind, im wesentlichen von selbst einstellt. Bei indirekt geheizten Kathoden wird versucht, das Heizelement dementsprechend aus­ zugestalten.

Aus der DE 23 17 446 C3 ist ein Verfahren zum Herstellen ei­ nes Heizelementes für eine indirekt geheizte Kathode bekannt. Hiernach soll eine am Heizdraht fest haftende, einen hohen Isolationswiderstand aufweisende, durchgehend dunkel gefärbte einzige Schicht mit in sie als feine Wolframpartikel einge­ lagertem Metallzusatz dadurch hergestellt werden, daß das Nieder­ schlagen einer Aluminiumoxidschicht als feinporöse Schicht bei der Elektrophorese unter gleichzeitiger Wasserstoffent­ wicklung durch Elektrolyse erfolgt, daß das Tränken dieser Schicht nach Trocknen durchgeführt wird, und daß in einer Flüssigkeit gespült wird und das Sintern nach erneutem Trock­ nen in einem zusätzlich Stickstoff enthaltenden Schutzgas er­ folgt. Durch dieses Verfahren wird eine Aluminiumoxidschicht erhalten, welche nach Einlagerung der Wolframpartikel in allen Temperaturbereichen einen guten, mit reinem weißen Alu­ miniumoxid vergleichbaren Isolationswiderstand aufweist und fest am Heizdraht haftet. Der Heizdraht ist hierbei als Wen­ del ausgebildet und in einem Kathodenrohr angeordnet, welches mit einer Kappe verschlossen ist, die eine Emissionsschicht trägt.

Aus der DE 28 13 504 A1 ist eine indirekt beheizte Kathode für Elektronenstrahlröhren bekannt, die eine geringe Wärme­ kapazität aufweist und die darüber hinaus keine Deformation der Kathodenhülle oder -hülse zeigt. Ferner soll eine indi­ rekt beheizte Kathodenvorrichtung derart ausgeführt werden, daß sie bei der Verwendung in einer Kathodenstrahlröhre die Möglichkeit bietet, daß ein Bild in sehr kurzer Zeit auf dem Bildschirm erscheinen kann. Gemäß der DE 28 13 504 A1 weist die Kathode hierzu eine Kathodenstrahlhülse mit dünner Wan­ dung auf, wobei auf der Fläche der Hülse ein Grundmetall mit einer Schicht aus Elektronen emittierenden Materialien ausge­ bildet ist. Das Grundmaterial ist an einem Ende der Hülse vorgesehen, in der eine Heizvorrichtung zum Aufheizen der Hülse angeordnet ist. Die Hülse besteht aus einer Legierung, die im wesentlichen zu 2 bis 35 Gew.-% Chrom, aus einem Zusatzmetall aus der Gruppe Kobalt, Wolfram, Molybdän, Eisen und Mischungen dieser Elemente und dem Rest aus Nickel besteht. Sofern Kobalt vor­ handen ist, liegt dieser Gehalt zwischen 3 und 30 Gew.-% und der des Wolframs, wenn dieses Element vorhanden ist, bei 0,5 bis 15 Gew.-%, während der Molybdängehalt, wenn dieses Element vor­ handen ist, von 0,5 bis 15 Gew.-% beträgt und der Eisenge­ halt, wenn dieses vorhanden ist, von 0,5 bis 15 Gew.-% reicht.

Aus der DE 25 04 673 B2 ist eine Schnellheizkathode für eine Elektronenröhre bekannt, wobei die Eigenschaften des Heizers hinsichtlich der Wärmeverluste der Zuleitungen verringert sein sollen, die sehr schnelle Erreichung einer hohen Tempe­ ratur des gewendelten Teiles sichergestellt und eine ausrei­ chende Elektronenemission erreicht wird. Hierzu weist die Schnellheizkathode für eine Elektronenröhre, insbesondere eine Bildröhre, die aus einem gewendelten, mit einem isolie­ renden Überzug versehenen und aus Drähten gewickelten Heizer mit zwei wegstehenden Zuleitungen auf, auf den ein becherförmiger metallischer Zylinder aufgepreßt ist, der auf seiner Ober­ seite mit Elektronen emittierendem Material beschichtet ist. Die Zuleitungen weisen hierbei eine wesentlich dickere, ins­ besondere 4 mal dickere isolierende Schicht auf als der ge­ wendelte Heizerteil selbst.

Aus der US-PS 3 240 978 ist eine Kathode für eine Elektronen­ röhre bekannt, die eine Heizeinrichtung für eine indirekt be­ heizte Kathode aufweist. Das Heizelement kann hierzu als langgestreckter Körper oder auch eben oder konkav ausgebildet sein. Die indirekt beheizte Kathode ist oberhalb des Heizele­ mentes angeordnet und weist eine Elektronen emittierende Schicht auf. Ist das Heizelement konkav ausgebildet, so ist dessen Abstand zur Kathode im Zentrum größer als im Randbe­ reich.

Aus der DE-PS 96 77 15 ist eine mittelbar geheizte Thorium­ kathode für elektrische Entladungsröhren bekannt, die einen Träger aus einem hochschmelzenden Teil aus der Gruppe Tantal, Wolfram und Molybdän, einen Überzug aus einem hochschmelzen­ den Metallkarbid auf der dem Brenner zugekehrten Seite des Trägers und eine im wesentlichen aus Thoroxyd bestehenden Emissionsschicht auf der anderen Seite aufweist. Die Kathode besteht aus einer Hülse, dem Träger, welche den wendelförmi­ gen Brenner umgibt.

Aus der DE 29 38 248 A1 ist ein Heizelement für eine indirekt geheizte Kathode bekannt, bei der in ein mit einer die emit­ tierende Schicht tragenden Kappe abgeschlossenes Kathodenrohr eine mit einer Isolierschicht bedeckte Heizwendel einge­ schoben ist, wobei ein Teil der Heizwendel der Kappe benach­ bart und der andere von dieser weiter entfernt ist. Der der Kappe benachbarte Teil der Heizwendel weist eine kleinere Wärmekapazität je Heizwendellängeneinheit auf als der weiter entfernte Teil.

Aus der DE 23 21 516 B2 ist eine indirekt geheizte Kathode bekannt, bei der ein Elektronen emittierendes Substrat an ei­ nem Ende eines Kathodengehäuses durch eine Heizspirale aus einer Metallfolie erhitzt wird, die in einen wärmebeständi­ gen, elektrischen Isolator eingebettet und dicht an dieses Gehäuse eingesetzt ist, wobei die wirksame Oberfläche der Heizfolie diesem Substrat zugewandt und im Abstand davon an­ geordnet ist. Die Heizfolie aus Wolfram und der Isolator besteht aus einem Gemisch aus wärmebeständigem, elektrisch isolierendem Aluminiumoxid und Molybdänpulver im Masseverhältnis von 95 : 5 bis 70 : 30. Die Heizfolie kann in einer Ebene ange­ ordnet oder konkav ausgebildet sein und hat im wesentlichen den gleichen Abstand zur zugewandten Oberfläche eines Katho­ densubstrates.

Aus der DE-AS 11 43 589 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes Heizers für Kathoden von elektrischen Entladungsröhren bekannt, wonach der Heizer aus einem Blech ausgeschnitten oder ausgestanzt ist. Er kann somit zickzackförmig oder spi­ ralförmig ausgebildet sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine indirekt geheizte Kathode der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch bei sehr hohen Strömen hohe Standzeiten der Kathode ge­ währleistet sind.

Hierzu wurde gemäß der prioritätsbegründenden Anmeldung 198 00 7736 vorgeschlagen, das Heizelement als flachen Rund­ strahlemitter auszubilden, der mit niedriger Temperatur und hoher Beschleunigungsspannung gegenüber der Elektronenemissi­ onsfläche betrieben wird. Aus dieser prioritätsbegründenden Anmeldung ist es auch bereits bekannt, das Heizelement als flache Wolframwendel in einer ebenen Spirale auszubilden, die einem topfförmigen Elektronenemissionskörper zugeordnet ist. Ferner ist ein direkt geheizter Flachemitter mit zwei am Um­ fangsrand angeordneten Anschlußlaschen für die Heizstromzu­ führung als Heizelement bekannt, dessen Emissionsfläche durch Schnitte in Leiterbahnen unterteilt ist.

Gegenüber dieser prioritätsbegründenden Anmeldung wird die weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer indirekt geheizten Kathode hinsichtlich einer hohen Standzeit und insbesondere einer homogenen Elektronenemission als Aufgabe angesehen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.

Vorteil der Erfindung gemäß dem Gegenstand des Patentanspru­ ches 1 ist, den Elektronenemissionskörper topfförmig mit ei­ nem kurzen Mantel auszubilden. Der kurze Mantel verlagert die durch die Träger des Elektronenemissionskörpers entstehende Wärmesenke von der Emissionsfläche weg, so daß deren Temperaturverteilung homogener wird.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der geringeren Wärme­ abführung von der Elektronenemissionsfläche ist die Lagerung des Elektronenemissionskörpers über zumindest einen dünnen Draht oder über ein Keramikelement.

Vorteil der Erfindung gemäß dem Gegenstand des Patentanspru­ ches 3 ist, das Heizelement und die Elektronenemissionsfläche derart auszugestalten, daß das elektrische Feld im Zentrum des Heizelementes kleiner ist als an dessen Rand. Im Randbereich, in dem eine größere Wärmeableitung erfolgt, wer­ den somit gegenüber dem Zentrum mehr Elektronen auf die Elek­ tronenemissionsfläche geleitet, so daß hierdurch insbesondere eine homogene, von der Elektronenemissionsfläche ausgehende Elektronenemission erreicht wird.

In Verbindung hiermit ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Abstand zwischen dem Heizelement und der Elektronenemis­ sionsfläche zum Zentrum der Elektronenemissionsfläche hin vergrößert.

In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement spiralförmig ausgestaltet ist und die Steigung der Spirale von innen nach außen abnimmt.

In dieser Hinsicht kann alternativ oder zusätzlich das Heiz­ element vorteilhaft in einem äußeren Bereich eine zylinder­ förmige Wicklung und davon ausgehend zum Zentrum hin spiral­ förmig ausgestaltet sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispie­ les anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprü­ chen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer indirekt geheiz­ ten Kathode nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer indirekt ge­ heizten Kathode nach der Erfindung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer indirekt ge­ heizte Kathode nach der Erfindung mit einem spiral­ förmigen Heizelement und einer nur schematisch darge­ stellten Elektronenoptik,

Fig. 4 eine indirekt geheizte Kathode nach den Fig. 1 bis 3 mit einer bogenförmig ausgebildeten Elektronenemissi­ onsfläche und einem Flächenemitter,

Fig. 5 ein spiralförmig ausgestaltetes Heizelement einer indirekt geheizten Kathode nach den Fig. 1 bis 3, und

Fig. 6 eine indirekt geheizte Kathode nach den Fig. 1 bis 3 mit aus Keramik hergestellten Stützelementen.

In den Figuren ist schematisch eine indirekt ge­ heizte Kathode, beispielsweise einer Röntgenröhre, gezeigt, die eine Elektronenemissionsfläche 1 eines Elektronenemissi­ onskörpers 2 sowie ein Heizelement 3 umfaßt. Der vorzugsweise topfförmig ausgestaltete Elektronenemissionskörper 2 (Fig. 1) weist einen kurzen Mantel 4 auf, so daß die Wärmeabführung möglichst gering ist. Vorzugsweise ist die Mantelhöhe ca. 10% bis 200% des Durchmessers bzw. der Breite der Elektronenemis­ sionsfläche (1), insbesondere 20% bis 100% davon. Ebenfalls in Hinsicht auf die geringe Wärmeabführung sind im Ausfüh­ rungsbeispiel dünne Stützdrähte 5 aus Wolfram mit dem Mantel 4 verbunden, die den Elektronenemissionskörper 2 lagern. Alternativ können diese Stützdrähte 5 auch als Stüt­ zen aus Keramikmaterial bestehen. Ferner ist es möglich, den Elektronenemissionskörper 2 über einen Keramikträger, bei­ spielsweise einen in Längsrichtung zylinderförmigen Keramik­ träger (Fig. 6), zu lagern.

Im Ausführungsbeispiel ist darge­ stellt, daß der Abstand zwischen dem Heizelement 3 und der Elektronenemissionsfläche 1, die beispielsweise aus einem Draht aus Wolfram als Spirale hergestellt ist, im Zentrum der Elektronenemissionsfläche 1 größer als im Randbereich ist. Es wird hierzu auch auf die Fig. 4 verwiesen. Hierdurch ist auch das elektrische Feld beim Anlegen einer Heizspannung einer Heizspannungsquelle 6 an das Heizelement 3 im Zentrum des Heizelementes 3 kleiner als in dessen Randbereich, so daß mehr Elektronen im Randbereich auf die Elektronenemissions­ fläche 1 als in deren Zentrum geleitet werden, wenn eine Be­ schleunigungsspannung einer Beschleunigungsspannungsquelle 7 zwischen dem Heizelement 3 und der Elektronenemissionsfläche 1 angelegt wird.

Alternativ oder als zusätzliche Maßnahme hinsichtlich der gleichmäßigen Elektronenemission von der Elektronenemissionsfläche 1 ist der Abstand der im Quer­ schnitt dargestellten Drähte des Heizelementes 3 im Zentrum größer als im Randbereich, was ebenfalls die Emission von Elektronen im Randbereich erhöht.

Zusätzlich oder in alter­ nativer Ausgestaltung ist das spiralförmige Heizelement 3 im dem Mantel 4 nahen Bereich als Zylinder gewickelt, was dort eben­ falls die Elektronenemission erhöht und durch Aufheizung des oberen Mantelbereiches den Wärmeabfluß nach unten kompensiert und damit zu einer homogeneren Temperaturverteilung beiträgt.

Zusätzlich oder alternativ kann auch, gemäß der Fig. 3, eine Elektronenoptik 8 vorgesehen sein, durch die die Elek­ tronenemission in Hinsicht auf eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung der Elektronenemissionsfläche 1 steuerbar ist. Durch die Erfindung werden folglich mehrere Maßnahmen ange­ geben, die schon für sich betrachtet, aber insbesondere in Kombi­ nation, eine homogene Elektronenemission von der Elektro­ nenemissionsfläche 1 gewährleisten. Im Rahmen der Erfindung kann das Heizelement 3 selbstverständlich nicht nur als drahtförmiges Wolframelement ausgestaltet sein, sondern es kann auch als Flachemitter (Fig. 5) aus einer Emissionsplatte, beispielsweise aus Wolfram bestehen, in die in gewünschter Weise Aussparungen zum Erzeugen eines Leiters eingebracht sind. Insbesondere kann somit auf einfache Weise ein spiral- oder mäanderförmiger und/oder auch ein topfförmiger Leiter hergestellt werden.

Wie bereits ausgeführt, können die Elektronenemissionsfläche 1 und damit der Elektronenemissionskörper 2 aus einem Wolf­ ramblech von beispielsweise 0,5 mm Dicke als Platte (siehe Fig. 2, 3) oder topfförmig und das Heizelement 3 aus einem Wolframdraht von z. B. 0,3 mm Durchmesser oder aus einem ca. 0,05 mm dicken Wolframblech oder Wolframtopf hergestellt sein. Als Elek­ tronen emittierendes Material sind auch andere geeignete Mate­ rialien, z. B. La₆B und Wolfram, geeignet.

Claims (13)

1. Indirekt geheizte Kathode, insbesondere für Röntgenröhren, bei der eine Elektronenemissionsfläche (1) eines Elektronen­ emissionskörpers (2) von einem im Abstand dahinter angeordne­ ten Heizelement (3) erhitzbar ist, aus dem austretende Elek­ tronen durch ein elektrisches Feld, das auf einer zwischen dem Heizelement (3) und der Elektronenemissionsfläche (1) an­ legbaren Beschleunigungsspannung beruht, auf die Rückseite der Elektronenemissionsfläche (1) beschleunigbar sind, wobei der Elektronenemissionskörper (2) topfförmig ausgebildet ist und einen kurzen Mantel (4) aufweist.

2. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 1, wobei die Mantelhöhe 10%-200% des Durchmessers bzw. der Breite der Elektronenemissionsfläche (1) beträgt.

3. Indirekt geheizte Kathode, insbesondere für Röntgenröhren, bei der eine Elektronenemissionsfläche (1) eines Elektronen­ emissionskörpers (2) von einem im Abstand dahinter angeordne­ ten Heizelement (3) erhitzbar ist, aus dem austretende Elek­ tronen durch ein elektrisches Feld, das auf einer zwischen dem Heizelement (3) und der Elektronenemissionsfläche (1) an­ legbaren Beschleunigungsspannung beruht, auf die Rückseite der Elektronenemissionsfläche (1) beschleunigbar sind, wobei das Heizelement (3) und die Elektronenemissionsfläche (1) derart ausgestaltet sind, daß die Elektronenemission in Richtung auf das Zentrum der Elektronenemissionsfläche (1) kleiner ist als auf deren Randbereich.

4. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 3, wobei das elektrische Feld beim Anlegender Beschleunigungsspannung im Zentrum des Heizelementes (3) kleiner ist als in dessen Randbereich.

5. Indirekt geheizte Kathode nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizelement (3) und die Elektronenemissionsfläche (1) derart ausgestaltet sind, daß das elektrische Feld beim Anlegen der Beschleunigungsspannung im Zentrum des Heiz­ elementes (3) kleiner ist als in dessen Randbereich.

6. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Elektronenemission über eine Elektronenoptik derart steuerbar ist, daß die Elektronenemission auf den Randbereich der Elektronenemissionsfläche (1) höher ist als auf deren Zentrum.

7. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Abstand zwischen dem Heizelement (3) und der Elektronenemissionsfläche (1) im Zentrum größer als im Randbereich ist.

8. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (3) als Flächenemitter ausgeführt ist.

9. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (3) von einem Draht gebildet ist.

10. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (3) spiralförmig ausgestaltet ist und die Steigung der Spirale vom Zentrum nach außen ab­ nimmt.

11. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Heizelement (3) in einem äußeren Bereich zylinderförmig und in einem inneren Bereich spiralförmig ausgebildet ist.

12. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elektronenemissionskörper (2) über zumindest einen dünnen Draht (5) gelagert ist.

13. Indirekt geheizte Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elektronenemissionskörper (2) über ein Keramik­ element gelagert ist.