EP1747570A1 - High-dose x-ray tube - Google Patents

High-dose x-ray tube

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Publication number
EP1747570A1
EP1747570A1 EP04741611A EP04741611A EP1747570A1 EP 1747570 A1 EP1747570 A1 EP 1747570A1 EP 04741611 A EP04741611 A EP 04741611A EP 04741611 A EP04741611 A EP 04741611A EP 1747570 A1 EP1747570 A1 EP 1747570A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ray tube
cold cathode
anode
electron
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04741611A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kurt Holm
Lars-Ola Nilsson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Comet Holding AG
Original Assignee
Comet Holding AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Comet Holding AG filed Critical Comet Holding AG
Publication of EP1747570A1 publication Critical patent/EP1747570A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J33/00Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06Cathodes
    • H01J35/065Field emission, photo emission or secondary emission cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00X-ray tubes
    • H01J2235/06Cathode assembly
    • H01J2235/068Multi-cathode assembly
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/112Non-rotating anodes
    • H01J35/116Transmissive anodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/16Vessels; Containers; Shields associated therewith
    • H01J35/18Windows
    • H01J35/186Windows used as targets or X-ray converters

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray tube and an electron gun for high dose rates with an electron (e ' ) emitting cathode, in particular for the large-area irradiation of 5 objects with various geometries and the use of the X-ray tube for sterilization, and the use of the electron gun for sterilization, for drying of ink or polymer crosslinking. It is known that X-ray and electron radiation are increasingly used in the sterilization of blood plasma, medical instruments,
  • Industrial applications also include drying ink and polymer crosslinking with electrons (e " ) in an energy range of 80-300keV.
  • the aim is to achieve the highest possible dose rate. This allows the irradiation time to be shortened considerably, which is a great advantage shorter throughput time and thus cost reduction.
  • the achievable dose rate differs between X-ray emitters and electron cartridges. In the range up to 1 MV acceleration voltage, only 1% of the electron energy is converted into X-rays to generate the X-rays. In turn, less of these are used in standard X-ray tubes for geometric reasons
  • Electrons have a low penetration depth and are therefore only suitable for the sterilization of surfaces.
  • materials can also be Inside are sterilized, such as blood plasma, while accepting the poorer efficiency.
  • the dose rate per area is determined by the distance of the object from the focal spot of the radiation source and the amount of radiation that is generated in the focal spot. This amount of radiation in turn is limited by the thermal energy that has to be dissipated by cooling the focal spot so that the material in the focal spot does not melt.
  • the specific dose rate of a conventional X-ray source is severely limited by these two factors.
  • the object to be irradiated In order to achieve a high dose rate, the object to be irradiated must come as close as possible to the radiation source. It may also be necessary that the focal spot of the radiator is as large as possible so that the specific load in the focal spot does not melt the target. With electron emitters, the object must also come as close as possible to the radiation source, otherwise the electrons will lose too much energy on the way in the air. With an optimized design of the exit window from the electron emitter, a relatively small proportion of the beam power is lost in the anode (target) and thus a considerably higher dose rate is obtained with electron irradiation than with X-ray radiation.
  • thermionic electron sources have usually been used as radiation sources.
  • the thermionic electron source can be heated either directly or indirectly and releases electrons (e " ) into the vacuum of the radiator if the annealing temperature is sufficient.
  • the heated sources can be manufactured relatively reliably, robustly and inexpensively, they suffer from some weaknesses.
  • the heating power of the cathode is usually only about 1 - 5% of the radiator power, precautions must be taken for cooling in the cathode range in the case of high-current electron sources.
  • the generator must provide the heating power at a high potential, which means a high expenditure and a susceptibility to faults. Since the thermionic electron sources have a high current density, they are not arranged in terms of area but rather rather in a punctiform manner. This makes it more difficult to evenly irradiate complicated geometries. Thermionic electron sources are operated at high temperatures at which the emitting material is already evaporating. This limits the lifespan of such sources. Because of the power supply and possibly cooling, it is difficult to build thermionic electron sources so that they are transparent to X-rays. As a result, the geometrical possibilities for irradiation are further restricted.
  • an radiation source is required which achieves a high dose rate and also enables the shape of the radiation source to be adapted to the shape of the objects to be irradiated and, in particular, a simultaneous irradiation of large quantities of these objects to be irradiated .
  • the integration of a cold cathode into the radiation device according to the invention, for example in an X-ray tube or an electron gun, is decisive for the economy of the radiation method according to the invention.
  • Electrons (e " ) are bound inside a solid by a potential barrier.
  • the potential barrier also called work function 0, is typically 4.5 eV (electron volts) for conventional tungsten filaments.
  • A is a pre-factor to adapt experimentally determined currents and sqrt 0 - is the square root of the work function 0.
  • sqrt 0 - is the square root of the work function 0.
  • Fig. 2a Field strength relationship according to the formula of Fowler and Nordheim is illustrated in Fig. 2a.
  • at the emission site is then several thousand volts per micrometer.
  • the voltage required for this is technically feasible.
  • a high density of field-increasing structures must be brought into the electrical field. Until almost 30 years ago, this was hardly possible.
  • microstructure processes have been developed, with which a density of up to 10 8 emitting microtips / cm 2 can be achieved.
  • a lithographically structured cathode is also shown schematically in FIG. 2 and usually consists of micrometer-sized metal tips, for example made of molibdene, and is known from the technology of flat screens.
  • the process of producing microtips with micrometer precision is complex and expensive. For this reason, research results in the mid-1990s on cold emission of thin carbon films at extremely low applied electrical field strengths caused a great deal of excitement. At first it was assumed that exceptionally deep work functions 0 of approx. 0.1 to a few eV were responsible for this.
  • Carbon which also has sharp structures on the surface, as described, for example, in the patents US 6087765 B1 and US 6593683 B1.
  • a carbon-containing gas mixture e.g. methane, acetylene etc.
  • an evacuated reactor vacuum recipient
  • H 2 (hydrogen), N 2 (nitrogen) etc. admixed introduced.
  • a microwave plasma is ignited or the substrate is brought to 600 ° to 900 ° Celsius.
  • a transition metal (nickel, cobalt, iron, etc.) is brought onto the substrate in the form of small clusters, ie a few nanometers to micrometers in size. Carbon nanotubes can grow on these clusters.
  • a transition metal nickel, cobalt, iron, etc.
  • Called "cathodic are” an arc discharge, at currents I of about 80A, is ignited between two graphite electrodes in a helium atmosphere. After the discharge there are nanotubes in the carbon soot that can be used after a cleaning procedure. For example, this can also be done So-called laser ablation processes are used. Laser is shot at a graphite target. There are also nanotubes in the soot. By adding transition metals to the graphite target, single-walled nanotube chips can be created. There are a number of other production processes or variants of the above-mentioned Generally, there is a limited influence on defect rates in the tube, geometry of the tube, scrap etc. has. This is due to the fact that little is known about the growth mechanisms.
  • the adhesion of the tubes is often very poor and in the electric field they can be torn away in the direction of the anode due to their charge (field-induced emitter destruction).
  • the carbon nanotubes can on the one hand ignite electrical discharges and on the other hand the emission performance deteriorates over time. Indeed it is currently
  • Emitter density (F) J f (ß) dß [cm "2 ]
  • Current density (F) I f (ß) l (ß, F) dß [Acrn 2 ]
  • l (ß, F) is the current of a single emitter in Dependence on the external electric field F and the geometric field elevation It has been shown that f (ß) of a typical cold cathode with carbon nanotubes has an exponential dependence on ß, f (ß) ⁇ exp (kß) due to the relatively small number of efficient field-increasing structures in a higher ß-range (> 400) therefore only contribute about 0.01% of all potential emitters to the current, the rest of the emitters have too low field-increasing values and therefore remain passive, since the field F ⁇ is less than 2 V / nm is, see equation 2.
  • the most efficient emitters with a percentage of 0.01% deliver current at a low (ie with a small voltage difference) applied field F, but since the number of these is so small, the total current density remains low Try that from the outside placed field F to increase, so that the less efficient emitter for Contributing electricity inevitably leads to electrical discharges or, above all, to current-induced emitter destruction of the most efficient emitters.
  • ballast resistors are known and is already used for microtips. If one or more emitters in series with a resistor, for example in the form of a resistance layer, are switched, the emission deviates from the typical Fowler Nordheim behavior. The larger the geometrically excessive field F
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of thermionic radiation sources shown above and to provide an irradiation device with X-rays or electron beams using a high-dose radiator with low power losses Propose cathode with which objects of various geometries and in large quantities can be irradiated simultaneously.
  • an X-ray emitter is to be proposed which enables a dose rate that is several times higher than conventional X-ray emitters.
  • the percentage of energy converted into and usable in X-rays should be increased and a uniform distribution of the X-rays should be obtained with respect to the surface to be irradiated and the depth of the material.
  • an X-ray tube comprises a cathode which emits electrons (e-) into a vacuumed interior and a target designed as an anode for generating X-rays (y) of high dose rate, the cathode comprising at least one Cold cathode, based on an electron (e-) emitting material with a field-increasing structure.
  • the field-high structures can include, for example, carbon nanotubes, coral-like carbon, metal tips, silicon tips, diamond tips and / or diamond powder.
  • the field-increasing structures advantageously emit electrons (e ' ) even at room temperature.
  • the hot cathodes known as thermionic electron sources, they do not require any heating power in order to release electrons (e ' ) into the vacuum.
  • Field-increasing structures that can be integrated on the surface of the cathode cause a cold emission of electrons (e " ) by amplifying an externally applied electrical field.
  • the functioning of the cold cathodes is based on the fact that an externally applied electric field is exaggerated in the case of pointed structures, so that high electrical fields, typically in the order of 2000 to 4000 volts per micrometer, arise, for example the anode can be small or the same compared to the electron-emitting surface of the cathode Size ratio be formed.
  • One advantage of this invention is that the electron emission takes place at room temperature and thus the device for heating the emitter is omitted. There is also no cooling of the immediate surroundings of the emitters. The lifespan of the emitters should be mentioned as a further advantage. Since the emitter is operated at room temperature, there is no aging by evaporation of the emitter material.
  • the cold cathode comprises at least one carrier layer for holding the electron (e-) emitting material, the emission surface of the cold cathode being essentially defined by the shape of the carrier layer.
  • the geometry and spatial arrangement of the cold cathode and / or the emission surface of the cold cathode is determined by the shape of the carrier layer.
  • the geometry of the radiation unit can be easily adapted to the requirements of the radiation method.
  • the ratio of the area of the cold cathode to the layer depth is large.
  • the cathode is suitable for large-area irradiation devices.
  • the shape and size of the irradiation space of the X-ray tube is determined by the surface area and / or spatial arrangement of the cold cathode and / or the anode.
  • the carrier layer comprises a matrix with embedded carbon nanotubes and / or coral-like structured carbon.
  • One advantage of this embodiment is that it becomes very economical for large-area emitter devices. Carbon nanotubes are commercially available and coral-like structured carbon can be applied inexpensively over a large area. Because of its strong covalent bonds, carbon is also more resistant than metal micro-tips to ion bombardment and electrical discharges. Carbon is able to cope with large emissions.
  • the first comprises
  • Carrier layer of the cold cathode at least one substrate with ceramic material or glass.
  • the carrier material is inexpensive, malleable and suitable for vacuum.
  • the attenuation of X-rays by these materials is relatively low.
  • the carrier layer comprises at least one resistance layer and / or interconnect layer.
  • the emission current can be distributed evenly over the cathode surface. The specific power can thus be optimally distributed to the anode, and local overheating is thereby avoided.
  • the conductor track layer comprises an evaporated copper layer.
  • the copper has good electrical and heat-dissipating properties.
  • Other metals can also be used to advantage.
  • the x-ray tube is as
  • Anode high cylinder formed with a coaxial cathode high cylinder inside This variant has the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached to the inside of the hollow cathode cylinder (the radiation goes to the inside - reflector).
  • the x-ray tube is as
  • This variant has the advantage that, for example the material to be irradiated can be placed inside the anode hollow liner (the radiation goes inside - transmission radiator).
  • the x-ray tube is designed as an anode high cylinder with a coaxial high cathode cylinder inside.
  • This version has among other things the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached outside the hollow anode cylinder (the radiation goes outside - transmission radiator).
  • the x-ray tube is designed as an anode high cylinder with a coaxial high cathode cylinder outside the anode.
  • This variant has the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached outside the cathode hollow cylinder (the radiation goes outwards - reflectors).
  • the cross section of the cold cathode and / or anode is designed as a full circle, segment of a circle, annulus, triangle, square, polygon or any definable polygon.
  • the length of this arrangement is in principle arbitrary.
  • One advantage of this variant is that the spotlight arrangement can be assembled modularly.
  • the electron (e -) emitting material is arranged on the carrier layer at a defined distance next to one another and / or one behind the other and / or adjacent. This has advantages in terms of production technology, among other things, since the extraction grid can be built more easily in flat geometries. A large number of such radiator modules can thus be assembled into a complex geometry of the radiator arrangement.
  • the cold cathode is for
  • X-ray radiation (y) is transparent or essentially transparent.
  • An advantage of this embodiment variant is, inter alia, that a rear or transmission radiator arrangement can be built without special cooling devices for the cold cathode (apart from air convection).
  • at least one extraction grid is arranged between the cold cathode and the anode. Between cold cathode and Extraction grid, for example, an electrical insulator can be arranged.
  • One advantage of this embodiment variant is that the distance between the extraction grid and the cold emitter can be kept constant over the emission area. The local variation in the emission intensity can thus be reduced. Under certain circumstances, the use of an extraction grid can also serve as protection against ion bombardment and electrical discharges.
  • the anode has at least one coolant layer (KM), the coolant layer (KM) comprising a liquid coolant (KM) and / or a gaseous coolant (KM).
  • the coolant layer (KM) comprising a liquid coolant (KM) and / or a gaseous coolant (KM).
  • the anode can withstand a higher specific electron intensity. A higher dose rate can thus be achieved.
  • the present invention also relates to a method for sterilization and / or radiation using an X-ray tube according to the invention and to an electron gun of the same type. Variants of the present invention are described below with the aid of examples. The examples of the designs are illustrated by the following figures:
  • FIG. 1 shows an X-ray tube with a thermionic electron source according to the prior art. Electrons (e " ) are emitted by a cathode 30 and X-rays are emitted by an anode 20 through a window 301.
  • FIG. 2 shows a cathode emitting cold electrons (e " ); a lithographically structured cathode with metal tips as field-increasing structures of the prior art is shown schematically.
  • FIG. 3 shows a cross section of an embodiment of an x-ray tube according to the invention in a hollow cylindrical shape, in particular the cross section through the hollow cylindrical cold cathode anode arrangement and the radiation chamber, likewise formed, is shown schematically.
  • a uniform 4 ⁇ r gamma radiation can be achieved inside the cathode hollow cylinder 31.
  • the material to be irradiated can be attached inside the anode hollow cylinder 31. This guarantees a uniform radiation of the object from all sides, which would otherwise hardly be possible.
  • FIG. 4 shows the cross section of a cold cathode with carbon nanotubes with an extraction grid in a so-called triode configuration of the electrodes.
  • 5a shows the cross section of a transmission radiator arrangement in variable electrode geometry with a modular composition
  • a large number of such transmission radiator arrangements can advantageously be assembled in a modular manner.
  • the extent of the transmission radiator arrangement can be freely selected in the longitudinal direction, perpendicular to the paper plane.
  • 5b shows the cross section of a transmission radiator arrangement according to FIG. 5a, with a special case of the dimensioning of the cold cathodes and anode radii, the cathode and anode being arranged in parallel or essentially in parallel.
  • Fig. ⁇ a shows the cross section of a reflector arrangement in variable electrode geometry with modular cold cathodes as Elektro ⁇ en sources in a partial circle segment.
  • the carrier layer of the cathode and the cold cathode are essentially transparent to X-rays.
  • the extent of the reflector arrangement can be freely selected in the longitudinal direction, perpendicular to the paper plane.
  • FIG. 6b shows the cross section of a retroreflective arrangement according to FIG. 6a, with a special case of dimensioning the cold cathodes and anode radii, the cathode and anode being arranged in parallel or essentially in parallel.
  • Fig. 7 shows an electron transmission emitter with a modular
  • FIG. 1 schematically shows an architecture of such a conventional X-ray tube 10 of the prior art.
  • Electrons e " are accelerated by an electron emitter, ie a cathode 30, usually a hot tungsten filament, emitted by a high voltage applied to a target s, X-rays y being emitted by the target, ie the anode 20, through a window 301.
  • the x-ray radiation y passes through a window 301 into the outside space and is used for radiation purposes.
  • FIG. 2 schematically shows a known lithographically structured cold cathode 22 from the prior art.
  • a conductor track layer 2020 is evaporated onto an inexpensive carrier 201, for example a ceramic substrate, and a resistance layer 203 is also applied to this.
  • Metal tips 70a made of molybdenum are applied to the resistance layer 203 as field-increasing structures 70, also called (electron) emitters.
  • the metal tips 70a are spaced apart by insulators 60 arranged laterally adjacent to one another. Spaced apart in height, ie upwards from the resistance layer 203, a gate 80, also called a grid, is positively applied to the surface of the insulators 60.
  • An electric field F (not shown) is applied between the metal tips 70a and the gate 80, which in the function of an extraction grid consists of a metallic material.
  • Gate 80 is electrically (insulated) and spatially separated from both resistive layer 203 and metal tips 70a and typically has an opening of a few micrometers.
  • FIG. 3 shows in cross section the diagram of an X-ray tube 11 which, in a preferred embodiment, is made up of a hollow cylindrical cold cathode 21 and a hollow cylindrical array 31 which are arranged coaxially to one another.
  • the common center axis of both hollow cylinders runs, as can be seen in the cross section of FIG. 3, through the common center point MP.
  • the cold cathode 21 of the x-ray tube 11 is shown in cross-section on an outer full circle with the radius r1 with respect to the center MP.
  • the cold cathode surface as drawn out and shown enlarged in the diagram of section A, has a matrix with embedded carbon nanotubes 71a as field-increasing structures. Electrons (e " ) are emitted from the carbon nanotubes into the vacuumized interior 40 of the X-ray tube 11 already at room temperature as a result of an external electric field F (not shown). These electrons (e " ) thus strike the target on the anode side in an accelerated manner 31 and are known to cause the emission of X-rays ( ⁇ ).
  • the x-ray radiation ( ⁇ ) is emitted on all sides due to the arrangement of the anode 31 with a smaller radius r2 with respect to the center MP in a radiation chamber 90, which is likewise hollow cylindrical.
  • a transmission radiator with a diode configuration of the electrodes 21, 31 is formed in the illustration shown in FIG. 3.
  • the full high voltage between the cold electron (e ") is located on emissive cathode 21 and the anode 31, in contrast to the other arrangement, no extraction grid is arranged here.
  • the carrier material (not shown) of the cold cathode 21 consists, for example, of an inexpensive ceramic substrate, which already closes off the X-ray tube 11 to the outside from the outside
  • the carrier substrate is optionally metallized on the outside with a further layer or comprises a further housing wall, not shown, made of metal or a polymeric material.
  • a further layer or comprises a further housing wall, not shown, made of metal or a polymeric material As shown in Fig. 3, when using cold electron (e " ) emitting cathodes 21 is only cooling the anode surface necessary. The cooling can be carried out with a liquid or gaseous coolant KM, such as water, oil or air.
  • the schematically illustrated coolant has a radius r3 (r3 smaller than r2) starting from the center MP of the common center axis of the anode 31 and cold cathode 21 5, encloses together with the anode 31 the likewise hollow-cylindrical radiation chamber 90.
  • material for the anode 31 is known to use a metal with a high atomic number, for example tungsten.
  • Fig. 4 shows in schematic cross section the arrangement of a cold cathode 23 with extraction grid 80; the anode associated with the emitter arrangement is not shown.
  • a carrier material 201 e.g. a cost
  • a layer with conductor tracks 202 is first evaporated.
  • the conductor track layer 202 serves to control the individual field-increasing structures 71 on the surface of the cathode 23.
  • a resistance layer 203 is arranged in series with the field-increasing structures 71.
  • This resistance layer 203 serves, according to the third solution already described above, to improve the current density and emitter density as a Baiast resistance.
  • the layers 201, 202, 203 are essentially transparent to X-rays and also resistant to the radiation. That means liability, or electrical
  • the emitter destruction due to the lack of liability was a further problem of the emitter recognized on the cathode surface.
  • the emitter can be destroyed more by current and field-induced destruction than by ion bombardment or electrical discharges.
  • the lack of adhesion of the emitter can have an adverse effect on the long-term stability of the emitter performance.
  • measures must be taken to keep the long-term stability of the radiator power constant; this is done by increasing the extraction voltage as a function of time.
  • an arrangement of the electrodes in a triode configuration as shown in the diagram in FIG. 4, is particularly advantageous.
  • the extraction voltage (not shown) is applied between the gate 80 and the cold cathode 23 and is typically 10 to 10000 volts depending on the geometry of the field-increasing structures 71 and the distance between the cathode surface and the gate 80; the latter indicated by arrow d.
  • the field-increasing structures 71 are less exposed to ion bombardment and, above all, less to the possible high-voltage electrical discharges.
  • the spatial and electrical separation of the gate 80 from the surface of the cold cathode 23 is associated with additional effort and thus also with additional costs.
  • the electrical / spatial separation takes place with an insulator 60, the height or thickness of which corresponds to the distance (arrow d) from the gate 80 to the surface of the cold cathode 23.
  • the insulators / placeholders 60 for example like the cold cathode 23 itself, can also be flat and have the shape of a perforated glass or ceramic plate, for example.
  • Each placeholder 60 thus consists, for example, of a glass rod, which is inexpensive, in particular if the cold cathode is formed over a large area.
  • gate 80 also called extraction grid
  • a metal can be evaporated onto the end face of insulators 60 facing away from the cathode surface.
  • a metal grid with variable hole spacing indicated by arrow c in the cross section of FIG.
  • gate 60 can also be used as gate 60.
  • great value must be placed on the geometry of the gate 80 (arrows a - d).
  • the arrows b and c already mentioned define the perforation pattern or the lattice web opening of the insulator 60
  • arrow d determines the distance from the cathode surface to the gate 80
  • arrow a defines the distance between two insulators 60.
  • the grid web width (arrow b) must be as small as possible and the grid web opening (arrow c) should be as large as possible. While the grid web opening (arrow c) cannot be dimensioned arbitrarily large, since otherwise the externally applied electrical field F (not shown) at the emitter location becomes too small, the grid web width (arrow b) must be dimensioned sufficiently large so that the grid-shaped Gate 80 is not deformed too much due to the electrostatic attraction. For the latter reason, it can furthermore be advantageous if a separate placeholder / insulator 60 is arranged below each grid web 80a. As a result, the distance between two insulators (arrow a) is the same as the grating bar opening (arrow c).
  • the following value ranges can be assumed, for example: (i) distance between two insulators (arrow a) 0.01 to 2 mm; (ii) grid web width (arrow b) 0.01 to 0.2 mm; (iii) grid web opening (arrow c) 0.01 to 0.3 mm; (iv) Distance of the cathode surface to the gate (arrow d) 0.01 to 2 mm.
  • a typical extraction voltage of several thousand volts must be used. This significantly increases the power losses at gate 80.
  • FIG. 5a shows a transmission radiator arrangement with a modular cold cathode 24 consisting of several cold cathodes. denmodulen 25 and an Andede 32 in an arbitrarily definable circle segment for use according to the invention in an X-ray tube.
  • a plurality of cold cathode modules 25 are arranged on the outer pitch circle section with the outer radius r1 essentially at the same distance.
  • the cold cathode modules 25 have on their surface field-increasing structures (not shown), which at room temperature already release electrons (e " ) into the vacuumized interior 40 of the X-ray tube.
  • the cold cathode modules 25 can be equipped according to the variant in FIG. 4. The electrons (e " ) meet
  • anode-side target 32 accelerates onto an anode-side target 32.
  • this will cause x-ray radiation ( ⁇ ) from target 32, e.g. emitted into the radiation room 90.
  • the anode-side target 32 is also arranged on a pitch circle section, but with a smaller radius r2 with respect to the center point MP.
  • anode-side target 32 form a circular ring section, which, besides the radii r1 and r2, can be variably defined by the lateral limitation and thus by the legs of the angle ⁇ drawn in broken lines.
  • the angle ⁇ is dimensioned at 360 °, an omnidirectional transmission radiator arrangement is produced analogously to FIG. 3, the corresponding
  • the angle of between 0 and 360 ° can be defined in the arrangement of cold cathode modules 25 and the anode 32 according to FIG. 5a, and the radii r1 or r2 in any case
  • the difference between the outer cold cathode radius r1 and the inner target radius r2 is the acceleration distance of the electrons e " and thus the one to be vacuumized, for example
  • r3 (with r3 chosen smaller than r1 and r2) is schematic with a wider radius indicated a layer with coolant KM.
  • 5b also shows a transmission radiator arrangement with a modular cold cathode 24.
  • the modular cold cathode 24 and the anode-side target 32 with coolant layer KM are parallel or essentially parallel arranged to each other.
  • emitter devices of several devices X-ray tubes, electron cartridges
  • four emitters each with an angle of 90 ° or only two emitters with a high radius of curvature r or a combination of the aforementioned emitter arrangements can be put together.
  • These radiator arrangements can be constructed either according to the diode configuration already described in FIG. 3, ie without an extraction grid, or according to FIG. 4 in a triode configuration, ie with an extraction grid.
  • the individual cold cathode modules 24 are put together without any space-increasing structures applied to their surface over their entire surface, this also results in an essentially full-surface emission surface of the assembled cold cathode modules 25.
  • the cold cathode modules 25 are assembled with any definable lateral, front and rear sections, as shown in FIG. 5a and 5b is indicated in cross section in the manner of pearl strings, network-like structures of the surface of the modular cold cathodes 25 arise, which can be defined as desired, the mesh structure depends on the shape of the individual cold cathodes 25 used or the cold cathode modules 24 that can be put together and their arrangement.
  • anode-side target is also possible analogous to the modular design of the cold cathode 24, but for cost reasons, as shown in FIGS. 3, 5a, 5b, the anode is formed in one piece, which is the case, for example, when used in X-ray tubes with a hollow cylindrical design of the cold cathode and anode or in the electron emitter with an essentially plane-parallel arrangement of the cold cathode and anode is easy to implement in terms of production technology.
  • 6a shows, analogous to FIG. 5a, an arrangement of a modular cold cathode 24 and anode, likewise in an arbitrarily definable partial circle segment. In contrast to FIG.
  • FIG. 6a a rear reflector arrangement is constructed in FIG. 6a, a material which is transparent to X-ray radiation ( ⁇ ) being used for the modular cold cathode 24 and the individual cold cathode modules 25 pointing to an inner circular ring with the radius r1 (towards the radiation chamber 90
  • X-ray radiation
  • the anode 32 with the cooling layer KM with the radius r3 is arranged on an outer circular ring with the radius r2.
  • the radius r1 is smaller than the radius r2 and this in turn is dimensioned smaller than the radius r3.
  • the modular cold cathode 24 When using such an arrangement, for example in an X-ray tube, the modular cold cathode 24 emits electrons e ′′ at room temperature, which are accelerated in the vacuum-sealed interior 40 and hit the target 32, thereby again causing X-ray radiation ( ⁇ ) from the anode-side target 32 into the Irradiation room 90 is emitted.
  • the X-ray radiation ( ⁇ ) passes through the cathode material which is transparent to X-ray radiation ( ⁇ ) on the cold cathode side into the irradiation room 90, which in this arrangement is enclosed by the cold cathode 24.
  • Fig. 7 shows schematically an electron transmission radiator 12 with a modular cold cathode 24, in an arrangement analogous to Fig. 5b, for the use of the electron gun 12. In an electron gun, therefore, the anode-side material is permeable to electron beams, which is indicated in Fig. 7.
  • anode foil with a supporting grid is to be used in particular.
  • the supporting grid webs 33a are visible in Fig. 7.
  • the thickness of the anode film 33 is typically 3 - 200 ⁇ m.
  • the combination of the anode foil 33 with a support grid absorbs a portion of the incident electrons (e " ), in particular the support grid itself.
  • the above-mentioned proposed surface radiators and omnidirectional radiator arrangements or transmission and retroreflector arrangements as well as the conventional radiator arrangement in X-ray radiography can be constructed with a modular cold cathode and a correspondingly arranged anode. All of the methods mentioned above are suitable for applying the field-increasing structures to the surface of the cold cathode, which essentially represents the emission surface for the electrons.
  • the modular assembly of individual cold cathode elements and of radiator segments constructed from them is particularly suitable for the large-scale formation of flat and curved emission surfaces or irradiation surfaces.
  • radiator This makes it possible to build up any desired geometries of the irradiation room and to arrange a radiator around any geometry of an irradiation object; high-dose radiators can be arranged in a large area and in a definable manner in the surface or in the room.
  • the cold cathode in addition to a high dose rate, can be produced economically, in particular when the field-increasing structures are applied over the entire area, the cold cathode has in particular low thermal losses and requires no additional cooling due to its emission at room temperature, by using either for X-rays transparent cathode material or cathode material not transparent to X-rays is possible to form a retroreflector or a transmission radiator.
  • the anode is designed so that all incident electrons are absorbed and used to generate X-rays, and in the second case, the anode is made out specifies that the electrons essentially penetrate the anode and can be used directly for irradiation.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

The invention relates to an X-ray tube (11) which comprises a cathode emitting electrons (e-) into an interior chamber (40) that is subjected to a vacuum, and a target (31, 32), configured as an anode, for generating high-dose X-radiation (η). The cathode comprises at least one cold cathode (21, 22, 23) based on an electron (e-) emitting material having a field-enhancing structure (70). The invention especially relates to an X-ray tube (11) having a cold cathode (21, 22, 23) that comprises at least one support layer (201) for supporting the electron (e-) emitting material. The emission area of the cold cathode (21, 22, 23) is defined by the shape of the support layer (201).

Description

Röntgenröhre für hohe Dosisleistungen X-ray tube for high dose rates
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenröhre und eine Elektronenkanone für hohe Dosisleistungen mit einer Elektronen (e') emittierenden Kathode, insbesondere zur grossflächigen Bestrahlung von 5 Objekten mit diverser Geometrie und der Verwendung der Röntgenröhre zur Sterilisation, sowie die Verwendung der Elektronenkanone zur Sterilisation, zum Trocknen von Tinte bzw. Polymer-Crosslinking. Es ist bekannt, Röntgen- und Elektronenbestrahlung zunehmend bei der Sterilisation von Blutplasma, medizinischen Instrumenten,The present invention relates to an X-ray tube and an electron gun for high dose rates with an electron (e ' ) emitting cathode, in particular for the large-area irradiation of 5 objects with various geometries and the use of the X-ray tube for sterilization, and the use of the electron gun for sterilization, for drying of ink or polymer crosslinking. It is known that X-ray and electron radiation are increasingly used in the sterilization of blood plasma, medical instruments,
10 Verpackungsmaterial für Nahrung und Medizin, Lebensmitteln, wie z.B. Gemüse, usw. einzusetzen. Dies geschieht vorteilhaft mit Röntgen- oder Elektronen-Strahlen, da Isotope als Strahlungsquellen gefährlich und schwierig zu handhaben sind, und da alternative, z.B. chemische Sterilisationsverfahren, entweder unwirtschaftlich oder aus gesetzlichen Gründen nicht verwendbar10 packaging material for food and medicine, food, e.g. Use vegetables, etc. This is advantageously done with X-rays or electron beams, since isotopes as radiation sources are dangerous and difficult to handle, and because alternative, e.g. chemical sterilization processes, either uneconomical or unusable for legal reasons
15 sind. Industrielle Anwendungen schliessen auch das Trocknen von Tinte und Polymer-Crosslinking mit Elektronen (e") in einem Energiebereich von 80 - 300keV ein. In sämtlichen Anwendungen strebt man eine möglichst hohe Dosis-Leistung an. Damit kann die Bestrahluπgszeit wesentlich verkürzt werden, was eine kürzere Durchlaufzeit und damit Kostensenkung bedeutet.15 are. Industrial applications also include drying ink and polymer crosslinking with electrons (e " ) in an energy range of 80-300keV. In all applications, the aim is to achieve the highest possible dose rate. This allows the irradiation time to be shortened considerably, which is a great advantage shorter throughput time and thus cost reduction.
20 Grundsätzlich unterscheidet sich die erreichbare Dosisleistung zwischen Röπtgenstrahlerπ und Elektroπenkaπonen. Im Bereich bis 1 MV Beschleuniguπgsspannung wird zur Erzeugung der Röntgenstrahlen nur 1% der Elektronenenergie in Röntgenstrahlung umgewandelt. Davon wiederum werden in Standardröntgenröhren aus geometrischen Gründen weniger als20 Basically, the achievable dose rate differs between X-ray emitters and electron cartridges. In the range up to 1 MV acceleration voltage, only 1% of the electron energy is converted into X-rays to generate the X-rays. In turn, less of these are used in standard X-ray tubes for geometric reasons
25 10% zur Bestrahlung genutzt. Daraus resultiert ein sehr kleiner Wirkungsgrad bei der Umsetzung der elektrischen Leistung in Dosisleistung. Beim Einsatz von Elektronenkaπonen dagegen kann man davon ausgehen, dass mindestens 50% der Elektronenenrgie auch zur Sterilisation genutzt werden kann. Etwa 50% der Energie gehen im Austrittsfenster verloren. Röntgenröhren und25 10% used for radiation. This results in a very low efficiency when converting electrical power into dose rate. When using electron cartridges, however, it can be assumed that at least 50% of the electron energy can also be used for sterilization. About 50% of the energy is lost in the exit window. X-ray tubes and
30 Elektroπenkanoneπ unterscheiden sich auch in ihrer Anwendung. Elektronen haben eine geringe Eindringtiefe und eignen sich daher nur zur Sterilisation von Oberflächen. Mit Röπtgenstrahlen können dagegen Materialien auch im Inneren sterilisiert werden, wie z.B. Blutplasma, unter Inkaufnahme des schlechteren Wirkungsgrades. Für die Bestrahlung mit Röntgenstrahleπ wird die Dosis-Leistung pro Fläche durch den Abstand des Objektes vom Brennfleck der Strahlquelle und von der Strahlungsmenge, die im Brennfleck erzeugt wird, bestimmt. Diese Strahlungsmenge ihrerseits ist begrenzt durch die thermische Energie, welche durch Kühlung des Brennflecks abgeführt werden muss, damit das Material im Brennfleck nicht schmilzt. Durch diese beiden Faktoren wird die spezifische Dosisleistung eines herkömmlichen Röntgenstrahlers stark begrenzt. Um eine hohe Dosisleistung zu erzielen muss also das zu bestrahlende Objekt möglichst nahe an die Bestrahlungsquelle gelangen. Es kann ferner erforderlich sein, dass der Brennfleck des Strahlers möglichst gross ist, damit die spezifische Belastung im Brennfleck nicht das Target zum Schmelzen bringt. Bei Elektronenstrahlern muss ebenfalls das Objekt möglichst nahe an die Strahlungsquelle gelangen, da ansonsten die Elektronen auf der Wegstrecke in der Luft zu viel Energie verlieren. Bei einem optimierten Design des Austrittsfensters vom Elektronen-Strahler geht ein relativ geringer Anteil der Strahlleistuπg in der Anode (Target) verloren und somit erhält man eine erheblich grössere Dosisleistung mit Elektronenbestrahluπg als mit Röntgenbestrahlung.30 Elektroπenkanoneπ also differ in their application. Electrons have a low penetration depth and are therefore only suitable for the sterilization of surfaces. With X-rays, on the other hand, materials can also be Inside are sterilized, such as blood plasma, while accepting the poorer efficiency. For irradiation with X-rays, the dose rate per area is determined by the distance of the object from the focal spot of the radiation source and the amount of radiation that is generated in the focal spot. This amount of radiation in turn is limited by the thermal energy that has to be dissipated by cooling the focal spot so that the material in the focal spot does not melt. The specific dose rate of a conventional X-ray source is severely limited by these two factors. In order to achieve a high dose rate, the object to be irradiated must come as close as possible to the radiation source. It may also be necessary that the focal spot of the radiator is as large as possible so that the specific load in the focal spot does not melt the target. With electron emitters, the object must also come as close as possible to the radiation source, otherwise the electrons will lose too much energy on the way in the air. With an optimized design of the exit window from the electron emitter, a relatively small proportion of the beam power is lost in the anode (target) and thus a considerably higher dose rate is obtained with electron irradiation than with X-ray radiation.
Als Strahlungsquellen werden bisher üblicherweise thermionische Elektronenquellen eingesetzt. Die thermionische Elektronenquelle kann entweder direkt oder indirekt geheizt werden und gibt bei ausreichender Glühtem- peratur Elektronen (e") in das Vakuum des Strahlers ab. Obwohl die geheizten Quellen relativ zuverlässig, robust und günstig hergestellt werden können, leiden sie unter einigen Schwächen.So far, thermionic electron sources have usually been used as radiation sources. The thermionic electron source can be heated either directly or indirectly and releases electrons (e " ) into the vacuum of the radiator if the annealing temperature is sufficient. Although the heated sources can be manufactured relatively reliably, robustly and inexpensively, they suffer from some weaknesses.
Obwohl die Heizleistung der Kathode in der Regel nur etwa 1 - 5% der Strahlerleistung beträgt, sind bei Hochstromelektronenquellen doch Vorkehrungen für die Kühlung im Kathodeπbereich zu treffen. Ausserdem muss der Generator die Heizleistung auf hohem Potential zur Verfügung stellen, was einen hohen Aufwand und eine Anfälligkeit gegen Störungen bedeutet. Da die thermionischen Elektronenquellen eine hohe Stromdichte aufweisen, können sie nicht flächeπmässig sondern nur eher punktförmig angeordnet werden. Dadurch ist es schwieriger, auch komplizierte Geometrien gleichmässig zu bestrahlen. Thermionische Elektronenquellen werden bei hohen Temperaturen betrieben, bei denen das emittierende Material bereits verdampft. Dadurch ist die Lebensdauer solcher Quellen begrenzt. Wegen der Stromzuführungen und evt. Kühlung ist es schwierig, thermionische Elektronenquellen so zu bauen, dass sie für Röntgenstrahlen transparent sind. Dadurch sind die geometrischen Möglichkeiten bei der Bestrahlung weiter eingeschränkt.Although the heating power of the cathode is usually only about 1 - 5% of the radiator power, precautions must be taken for cooling in the cathode range in the case of high-current electron sources. In addition, the generator must provide the heating power at a high potential, which means a high expenditure and a susceptibility to faults. Since the thermionic electron sources have a high current density, they are not arranged in terms of area but rather rather in a punctiform manner. This makes it more difficult to evenly irradiate complicated geometries. Thermionic electron sources are operated at high temperatures at which the emitting material is already evaporating. This limits the lifespan of such sources. Because of the power supply and possibly cooling, it is difficult to build thermionic electron sources so that they are transparent to X-rays. As a result, the geometrical possibilities for irradiation are further restricted.
Bei vielen Anwendungen von Röntgenstrahlungsquellen, beispielsweise zur Sterilisation, wird eine Bestrahlungsquelle benötigt, die eine hohe Dosisleistung erzielt und auch eine Anpassung der Form der Strahlungsquelle an die Form der jeweils zu bestrahlenden Objekte und insbesondere auch eine gleichzeitige Bestrahlung von grossen Mengen dieser zu bestrahlenden Objekte ermöglicht. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Bestrahlungsverfahrens ist die Integration einer Kaltkathode in die erfϊndungsgemässe Bestrahlungsvorrichtung, zum Beispiel in eine Röntgenröhre oder eine Elektronenkanone.In many applications of X-ray radiation sources, for example for sterilization, an radiation source is required which achieves a high dose rate and also enables the shape of the radiation source to be adapted to the shape of the objects to be irradiated and, in particular, a simultaneous irradiation of large quantities of these objects to be irradiated , The integration of a cold cathode into the radiation device according to the invention, for example in an X-ray tube or an electron gun, is decisive for the economy of the radiation method according to the invention.
Im Folgenden soll die Funktionsweise von Kaltkathoden näher beschrieben werden. Elektronen (e") sind im Inneren eines Festkörpers durch eine Potentialbarriere gebunden. Die Potentialbarriere, auch Austrittsarbeit 0 genannt, liegt typischerweise bei 4.5 eV (Elektronenvolt) für herkömmliche Glühwendel aus Wolfram. Bei thermionischer Elektronenemission aus der Glühwendel der Kathode erhalten die Elektronen (e") ausreichend Energie, um die Potentialbarriere gegen das Vakuum zu überwinden. Die somit erreichbare Stromdichte J der Thermoemission beträgt J=aT2exρ(-0/kT)The functioning of cold cathodes will be described in more detail below. Electrons (e " ) are bound inside a solid by a potential barrier. The potential barrier, also called work function 0, is typically 4.5 eV (electron volts) for conventional tungsten filaments. With thermionic electron emission from the filament of the cathode, the electrons (e " ) sufficient energy to overcome the potential barrier against the vacuum. The current density J of thermal emission that can be achieved is J = aT 2 exρ (-0 / kT)
nach der sog. Richardsonschen Formel; dabei ist a die Richardson-Konstante, T die Temperatur und K die Bolzmann-Konstante.according to the so-called Richardson's formula; where a is the Richardson constant, T the temperature and K the Bolzmann constant.
Aus der Richardsonschen Formel folgt, dass eine Absenkung der Austrittsarbeit 0 die Thermoemission begünstigt und deswegen wird versucht, mit anderen Emittermaterialen wie Tantal, BaO, Thorium etc. zu arbeiten. Durch die tiefere Austrittsarbeit 0 kann bei tieferen Temperaturen und demzufolge mit niedrigeren Abdampfraten und längerer Lebensdauer der Heisskathoden gearbeitet werden. Trotzdem hat die Thermoemission aufgrund der hohen Temperaturen T, die benötigt werden (>1000° Kelvin) einen hohen Heizleistungsbedarf und damit hohen Energieverbrauch. In den herkömmlichen Anwendungen der Röntgenröhre mit einem kleinen Filament ist das problemlos möglich. Die Spaπnungsgeneratoren können mit Stromstärken von 5A bei 8V angelegter Spannung über das Filament die benötige Leistung nachliefern. Sobald mehr als drei Filamente in Reihe geschaltet werden, ist derzeit eine obere Leistungsgrenze der Generatoren erreicht. Im Gegensatz zur Thermoemission wird bei Kaltemission dieFrom Richardson's formula it follows that lowering the work function 0 favors the thermal emission and therefore attempts are made to work with other emitter materials such as tantalum, BaO, thorium etc. Due to the deeper work function 0 and lower temperatures consequently, lower evaporation rates and longer service life of the hot cathodes are used. Nevertheless, due to the high temperatures T that are required (> 1000 ° Kelvin), the thermal emission has a high heating power requirement and thus high energy consumption. This is easily possible in conventional applications of the X-ray tube with a small filament. The tension generators can deliver the required power with currents of 5A at 8V applied voltage via the filament. As soon as more than three filaments are connected in series, an upper power limit of the generators is currently reached. In contrast to thermal emission, the cold emission
Potential barriere durch ein von aussen angelegtes elektrisches Feld F deformiert, und nimmt in erster Nährung eine trianguläre Form der Höhe 0 mit der Dicke x=0/eFι an, e ist dabei die Ladung des Elektrons (e") und Fι ist das lokale elektrische Feld am Emissions-Ort. Wenn die Barriere ausreichend dünn wird, d.h. wenn 0/eFι ≤ 2 nm, können die Elektronen (e") durch die Barriere tunneln und ins Vakuum gelangen; dies wird als Kaltemission oder auch Feldemission bezeichnet. Es werden lokal am Emissions-Ort sehr grosse Feldstärken Fι in der Grössenordnung von 2 - 4000 V/μm benötigt, um eine Elektronenemission zu bewirken. Der Strom von einem Kalt-Emitter lässt sich näheruπgsweise mit einer vereinfachten Formel von Fowler und Nordheim 1928 ausdrücken: l= (1.5e-6 A (F|)2 / 0) exp(1O.4/sqrt(0)) exp(-6.44e7 01 5 /F,)Potential barrier deformed by an external electric field F, and takes on a triangular shape of height 0 with the thickness x = 0 / eFι, e is the charge of the electron (e " ) and Fι is the local electric Field at the emission location If the barrier becomes sufficiently thin, ie if 0 / eFι ≤ 2 nm, the electrons (e " ) can tunnel through the barrier and get into a vacuum; this is called cold emission or field emission. Very large field strengths F in the order of magnitude of 2 to 4000 V / μm are required locally at the emission location in order to cause an electron emission. The flow of a cold-emitter can be näheruπgsweise with a simplified formula of Fowler and Nordheim in 1928 expressed as: l = (1.5e-6 A (F |) 2/0) exp (1O.4 / sqrt (0)) exp ( -6.44e7 0 1 5 / F,)
A ist dabei ein Vorfaktor, um experimentell ermittelte Ströme anzupassen und sqrt 0 - ist die Quadratwurzel aus der Austrittsarbeit 0. Der typischerweise sehr steile Verlauf der Kennlinie der Strom-A is a pre-factor to adapt experimentally determined currents and sqrt 0 - is the square root of the work function 0. The typically very steep curve of the characteristic of the current
Feldstärke-Beziehung nach der Formel von Fowler und Nordheim ist in Fig. 2a illustriert. Die lokal überhöhte Feldstärke F| am Emmissionsort, beträgt dann mehrere Tausend Volt pro Mikrometer. Solche hohen elektrischen Felder Fι werden durch geometrische Feldüberhöhung ß erzielt. Wenn ein elektrisch leitfähiger Gegenstand mit hohem Längen- zu Breiten-Verhältnis ß in ein elektrisches Feld F gebracht wird, wird aufgrund der geometrisch bedingten Ladungsverschiebung im Gegenstand eine elektrische Feld Überhöhung an der Spitze stattfinden. Wenn dieser Gegenstand dabei die Höhe h und den Krümmungsradius r hat, ergibt sich näherungsweise ß=h/r. In erster Näherung lässt sich dann das stark überhöhte elektrische Feld Fι durch folgende Gleichung ausdrücken F,= ßF wobei F das von aussen angelegte elektrische Feld ist. Wenn beispielsweise die feldüberhöhenden Strukturen Abmessungen von h=1000 nm und r=1 nm aufweisen (dies ist z.B. bei erfiπdungsgemässer Verwendung von Kohlenstoff- Nanoröhrchen als feldüberhöhende Strukturen möglich) erhält man eine elektrische Feldüberhöhung Fι und damit Kaltemission von Elektronen bei einer angelegten Spannung, die das von aussen angelegte Feld F verursacht, wobei typischerweise das von aussen angelegte Feld F einige Volt pro Mikrometer und die elektrische Feldüberhöhung Fι einige Volt pro Nanometer beträgt. Die hierzu notwendige Spannung ist durchaus technisch realisierbar. Um eine ausreichend hohe Stromdichte bei einer Kaltkathode zu erreichen, muss eine hohe Dichte von feldüberhöhenden Strukturen in das elektrische Feld hineingebracht werden. Bis vor knapp 30 Jahren war dies kaum möglich. In den letzten Jahrzehnten wurden allerdings verschiedene Mikrostrukturverfahreπ entwickelt, womit man eine Dichte von bis zu 108 emittierenden Mikrospitzen/cm2 erreichen kann. Eine solche lithographisch strukturierte Kathode ist schematisch auch in Fig. 2 dargestellt und besteht üblicherweise aus mikrometergrossen Metall-Spitzen, z.B. aus Molibdän und ist aus der Technik der Flachbildschirme bekannt. Das Verfahren, Mikrospitzeπ mit Mikrometer-Präzision herzustellen, ist aufwändig und teuer. Aus diesem Grund haben Mitte der 90er Jahre die Forschungsergebnisse über Kaltemission von dünnen Kohlenstofffilmen bei extrem tiefen angelegten elektrischen Feldstärken für grosse Aufregung gesorgt. Zunächst wurde vermutet, dass exzeptionell tiefe Austrittsarbeiten 0 von ca. 0,1 bis einige eV dafür verantwortlich waren. Heute ist es mit wenigen Ausnahmen wissenschaftlich allgemein akzeptiert, dass diese Kohleπstofffilme effizient Elektronen abgeben können, nicht weil die Austrittsarbeit 0 tief ist, sondern weil auch sie feldüberhöhende Strukturen aufweisen. Diese Strukturen können sich entweder auf der Oberfläche oder innerhalb in einer Matrix umgeben von isolierenden sp3-Phasen befinden. Als sp3 wird die kovalente starke Bindung in einem elektrisch isolierenden Diamanten bezeichnet. Beispielsweise können in Gashase gewachse dünne Kohleπstofffilme mikrometergrosse, graphitartige sp2-Phaseπ an den Korngrenzen zwischen isolierendem diamantartigem sp3-Kohlenstoff aufweisen. Da das angelegte elektrische Feld in diese Matrix hineindringen kann, wirken die graphitischen sρ2-Phasen als feldüberhöhende Strukturen. Zur Verwendung feldüberhöhender Strukturen eignen sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wie z.B. in der Patentschrift US 5726524 B1 beschrieben, aber auch andere Kohlenstoff- Typen sind kommerziell attraktiv, wie beispielsweise korallenartigerField strength relationship according to the formula of Fowler and Nordheim is illustrated in Fig. 2a. The locally excessive field strength F | at the emission site is then several thousand volts per micrometer. Such high electric fields F are achieved by increasing the geometric field ß. If an electrically conductive object with a high length-to-width ratio ß is brought into an electrical field F, an electrical field increase in the object will occur due to the geometrically induced charge shift in the object Peak take place. If this object has the height h and the radius of curvature r, the result is approximately ß = h / r. In a first approximation, the greatly exaggerated electrical field F can then be expressed by the following equation F, = ßF where F is the external electrical field. If, for example, the field-increasing structures have dimensions of h = 1000 nm and r = 1 nm (this is possible, for example, when using carbon nanotubes as field-increasing structures), an electrical field increase F and thus cold emission of electrons at an applied voltage are obtained causes the field F applied from the outside, typically the field F applied from the outside being a few volts per micrometer and the electrical field increase F a few volts per nanometer. The voltage required for this is technically feasible. In order to achieve a sufficiently high current density in a cold cathode, a high density of field-increasing structures must be brought into the electrical field. Until almost 30 years ago, this was hardly possible. In the past few decades, however, various microstructure processes have been developed, with which a density of up to 10 8 emitting microtips / cm 2 can be achieved. Such a lithographically structured cathode is also shown schematically in FIG. 2 and usually consists of micrometer-sized metal tips, for example made of molibdene, and is known from the technology of flat screens. The process of producing microtips with micrometer precision is complex and expensive. For this reason, research results in the mid-1990s on cold emission of thin carbon films at extremely low applied electrical field strengths caused a great deal of excitement. At first it was assumed that exceptionally deep work functions 0 of approx. 0.1 to a few eV were responsible for this. Today, with a few exceptions, it is generally accepted scientifically that these carbon films can efficiently donate electrons, not because the work function 0 is low, but because they too have structures that exceed the field. These structures can either be on the surface or within in a matrix surrounded by isolating sp 3 phases. Sp 3 is the strong covalent bond in an electrically insulating diamond. For example, thin carbon films grown in gas phase can have micrometer-sized, graphite-like sp 2 phases at the grain boundaries between insulating diamond-like sp 3 carbon. Since the applied electric field can penetrate this matrix, the graphitic sρ 2 phases act as field-increasing structures. Carbon nanotubes are suitable for the use of field-increasing structures, as described, for example, in US Pat. No. 5726524 B1, but other types of carbon are also commercially attractive, such as coral-like
Kohlenstoff, der ebenfalls scharfe Strukturen auf der Oberfläche aufweist, wie z.B. in den Patentschriften US 6087765 B1 und US 6593683 B1 beschrieben. Um die Kohlenstoffstrukturen herzustellen, sind die üblichen Verfahren des Standes der Technik vorstellbar. Z.B. kann bei Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition - CVD) eine kohlenstoffhaltige Gasmischung (beispielsweise Methan, Acethylen etc.) in einem evakuierten Reaktor (Vakuum-Rezipient), oft mit H2 (Wasserstoff), N2 (Stickstoff) etc. beigemischt, hineingeleitet werden. Darauf wird entweder ein Mikrowellenplasma gezündet oder das Substrat auf 600° bis 900° Celsius gebracht. In beiden Fällen, abhängig von Depositionsparametern, wachsen unterschiedliche Kohlenstoff-Strukturen auf dem Substrat auf. Oft wird auch katalytisches Wachstum verwendet. Dabei wird ein Übergangsmetall (Nickel, Cobald, Eisen etc.) in Form von kleinen, d.h. einige Naπometer bis Mikrometer grossen Klustem auf das Substrat gebracht. Auf diesen Klustern können Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen. Bei der Methode, im englischenCarbon, which also has sharp structures on the surface, as described, for example, in the patents US 6087765 B1 and US 6593683 B1. In order to produce the carbon structures, the usual methods of the prior art are conceivable. For example, when separating from the gas phase (Chemical Vapor Deposition - CVD), a carbon-containing gas mixture (e.g. methane, acetylene etc.) in an evacuated reactor (vacuum recipient), often with H 2 (hydrogen), N 2 (nitrogen) etc. admixed, introduced. Then either a microwave plasma is ignited or the substrate is brought to 600 ° to 900 ° Celsius. In both cases, depending on the deposition parameters, different carbon structures grow on the substrate. Catalytic growth is also often used. A transition metal (nickel, cobalt, iron, etc.) is brought onto the substrate in the form of small clusters, ie a few nanometers to micrometers in size. Carbon nanotubes can grow on these clusters. In the method, in English
Sprachgebrauch mit „Cathodic Are" bezeichnet, wird eine Bogenentladung, bei Stromstärken I von ca. 80A, zwischen zwei Graphitelektroden in einer Heliumatmosphäre gezündet. Nach der Entladung befinden sich im Kohlenstoffruss Nanoröhrcheπ, die nach einer Reinigungsprozedur verwendet werden können. Es kann z.B. auch das sog. Laserablations-Verfahren verwendet werden. Dabei wird mit Laser auf ein Graphittarget geschossen. Im Russ befinden sich ebenfalls Nanoröhrchen. Durch Beimischung von Übergangsmetallen in dem Graphittarget können eiπwandige Nanoröhrcheπ geschafft werden. Es gibt eine Reihe von anderen Herstellverfahren oder Varianten von den oben erwähnten. Allgemein gilt, dass man einen begrenzten Einfluss auf Defektraten im Röhrchen, Geometrie der Röhrchen, Ausschuss usw. hat. Dies hängt damit zusammen, dass man von den Wachstumsmechanismen bisher eigentlich wenig versteht. Ein wichtiger Grund weshalb erfindungsgemäss insbesondere die Verwendung von Kohlenstoff-Nanotubes und anderem spezifisch strukturiertem Kohlenstoff und dessen Modifikationen als Kaltemitter attraktiv ist, ist das Potential zur günstigen grossflächigen Kathodendisposition. Es gibt aber auch andere Gründe, weshalb die Verwendung von Kohlenstoff interessant ist. Aufgrund der starken kovalenten Bindungen im Kohlenstoff sind Kaltemitter aus Kohlenstoff weniger empfindlich gegen Zerstörung als beispielsweise aufgedampfte Molybdän-Spitzen oder geätzte Silizium-Spitzen. Die Atome migrieren nicht im Hochspannungsfeld und haben weniger die Tendenz zu explodieren, so wie beispielsweise Metallspitzen. Es kann gesagt werden, dass momentan die Herstellungsverfahren für Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektroneπemitter noch nicht 100%ig ausgereift sind. Oft ist die Haftung der Röhrchen, beispielsweise bei katalytisch aufgewachsenen Röhrchen, sehr schlecht und im elektrischen Feld können diese aufgrund ihrer Ladung in Richtung der Anode weggerissen werden (feldinduzierte Emitterzerstörung). Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen können so einerseits elektrische Entladungen zünden und anderseits wird mit der Zeit die Emissionsperformance schlechter. In der Tat ist momentan dieCalled "cathodic are", an arc discharge, at currents I of about 80A, is ignited between two graphite electrodes in a helium atmosphere. After the discharge there are nanotubes in the carbon soot that can be used after a cleaning procedure. For example, this can also be done So-called laser ablation processes are used. Laser is shot at a graphite target. There are also nanotubes in the soot. By adding transition metals to the graphite target, single-walled nanotube chips can be created. There are a number of other production processes or variants of the above-mentioned Generally, there is a limited influence on defect rates in the tube, geometry of the tube, scrap etc. has. This is due to the fact that little is known about the growth mechanisms. An important reason why the use of carbon nanotubes and other specifically structured carbon and its modifications as a cold emitter is particularly attractive according to the invention is the potential for cheap, large-area cathode disposition. But there are other reasons why the use of carbon is interesting. Due to the strong covalent bonds in carbon, cold emitters made of carbon are less sensitive to destruction than, for example, vapor-deposited molybdenum tips or etched silicon tips. The atoms do not migrate in the high-voltage field and have less tendency to explode, such as metal tips. It can be said that at the moment the production processes for carbon nanotubes as electron emitters are not yet 100% mature. The adhesion of the tubes, for example in the case of catalytically grown tubes, is often very poor and in the electric field they can be torn away in the direction of the anode due to their charge (field-induced emitter destruction). The carbon nanotubes can on the one hand ignite electrical discharges and on the other hand the emission performance deteriorates over time. Indeed it is currently
Langzeitstabilität der Röhrchen unbefriedigend und es wird stetig daraufhin gearbeitet, die Haftung zu verbessern. Ein anderes Problem beim Einsatz von kohlenstoffbasierenden Kaltemittern betrifft die beschränkte Emissionsstromdichte von einer grossen Anzahl parallel emittierender Kohlenstoff-Strukturen einer ebenen Fläche. Eigentlich gibt es durchschnittlich typischerweise mehr als 10° potentielle Emitter pro cm2 einer typischen Nanoröhrchen-Dünnfilmschicht. Ein gut kontaktiert.es Nanoröhrchen sollte problemlos einen Strom bis 10 μA transportieren können (theoretisch sogar bis in den mA-Bereich). Das macht also Stromdichten von 103 A/cm2 oder mehr aus. Trotzdem zeigen die experimentellen Werte, dass Stromdichteπ von 1 bis 100 mA/cm2 und Emitterdichten von 104 bis 105 Emittern pro cm2, für elektrische Feldstärken F um etwa 5-10V/μm erreicht werden (für höhere Feldstärken F beginnen nachteilig zwischen Anode-Kathode elektrische Entladungen). Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Erklärungen. Zum einen ist eine sehr hohe Dichte von Strukturen nachteilig für die Feldüberhöhung. Mit sehr kurzem Emitter-Emitter-Abstand geschieht eine elektrostatische Abschirmung, was zu einer Absenkung des geometrisch überhöhten Feldes Fι führt. Zum anderen weist ein typischer Kaltemitter-Film mit Kohlenstoff-Long-term stability of the tubes unsatisfactory and efforts are constantly being made to improve the adhesion. Another problem with the use of carbon-based cold emitters relates to the limited emission current density of a large number of parallel-emitting carbon structures on a flat surface. Actually, there are typically more than 10 ° potential emitters per cm 2 of a typical nanotube thin film layer on average. A well contacted nanotube should be able to easily transport a current of up to 10 μA (theoretically even into the mA range). So that makes current densities of 10 3 A / cm 2 or more. Nevertheless, the experimental values show that current densities of 1 to 100 mA / cm 2 and emitter densities of 10 4 to 10 5 emitters per cm 2 are achieved for electrical field strengths F of around 5-10V / μm (for higher field strengths F disadvantageously begin between Anode-cathode electrical discharges). There are two main explanations for this. On the one hand, a very high density of structures is disadvantageous for the field increase. With a very short emitter-emitter distance, electrostatic shielding occurs, which leads to a lowering of the geometrically excessive field F 1. On the other hand, a typical cold emitter film with carbon
Nanoröhrchen, eine stochastische Verteilung von feldüberhöhenden Strukturen auf. Das führt in allen experimentell untersuchten Fällen zu einer räumlich stochastischen Verteilung ß(x,y) der feldüberhöhendeπ Strukturen auf einer Kaltkathode-Oberfläche. Demzufolge kann eine statistische ß-Verteilung wie folgt definiert werden f(ß)=dn/dß wobei dn die Anzahl der feldüberhöhenden Strukturen pro Fläche in einem kleinen Intervall ß bis (ß+dß) ist. f(ß) ist ein Mass der Güte, oder die Effizienz einer Kaltkathode und gibt eine quantitative Beschreibung der Emitter- und Stromdichte überNanotubes, a stochastic distribution of field-increasing structures. In all experimentally examined cases, this leads to a spatially stochastic distribution β (x, y) of the field-increasing structures on a cold cathode surface. Accordingly, a statistical ß distribution can be defined as follows f (ß) = dn / dß where dn is the number of field-increasing structures per area in a small interval ß to (ß + dß). f (ß) is a measure of quality, or the efficiency of a cold cathode and gives a quantitative description of the emitter and current density
Emitterdichte(F)= J f(ß) dß [cm"2] Stromdichte(F)= I f(ß) l(ß,F) dß [Acrn 2] l(ß,F) ist der Strom eines einzelnen Emitters in Abhängigkeit vom aussen angelegten elektrischen Feld F und der geometrischen Feldüberhöhung. Es wurde gezeigt, dass f(ß) einer typischen Kaltkathode mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine exponentielle Abhängigkeit von ß, f(ß)~exp(kß) aufweist. Aufgrund der relativ geringen Anzahl von effizient feldüberhöhenden Strukturen in einem höheren ß-Bereich (>400) trägt demzufolge nur etwa einen Anteil von 0.01% aller potentiellen Emitter zum Strom bei. Der Rest der Emitter hat zu tiefe Feldüberhöhungswerte und bleibt daher passiv, da das Feld Fι kleiner als 2 V/nm ist, siehe Gleichung 2. Die mit einem Prozentanteil von 0.01 % effizientesten Emitter liefern zwar Strom bei einem tiefen (d.h. mit geringer Spannungsdifferenz) angelegten Feld F, aber da die Anzahl von diesen so gering ist, bleibt die Gesamtstromdichte gering. Ein Versuch, das von aussen angelegte Feld F zu erhöhen, damit auch die weniger effizienten Emitter zum Strom beitragen, führt unfehlbar zu elektrischen Entladungen bzw. vor allem zur strominduzierten Emitterzerstörung der effizientesten Emitter.Emitter density (F) = J f (ß) dß [cm "2 ] Current density (F) = I f (ß) l (ß, F) dß [Acrn 2 ] l (ß, F) is the current of a single emitter in Dependence on the external electric field F and the geometric field elevation It has been shown that f (ß) of a typical cold cathode with carbon nanotubes has an exponential dependence on ß, f (ß) ~ exp (kß) due to the relatively small number of efficient field-increasing structures in a higher ß-range (> 400) therefore only contribute about 0.01% of all potential emitters to the current, the rest of the emitters have too low field-increasing values and therefore remain passive, since the field Fι is less than 2 V / nm is, see equation 2. The most efficient emitters with a percentage of 0.01% deliver current at a low (ie with a small voltage difference) applied field F, but since the number of these is so small, the total current density remains low Try that from the outside placed field F to increase, so that the less efficient emitter for Contributing electricity inevitably leads to electrical discharges or, above all, to current-induced emitter destruction of the most efficient emitters.
Im Stand der Technik sind grundsätzlich drei Lösungsansätze bekannt, die Strom- und Emitterdichte zu verbessern. Als erstes wird durch kontrolliertes Wachstum versucht, den Emitter-Emitter-Abstand bzw. die Emittergeometrie (Höhe-Krümmuπgsradius-Verhältnis) zu kontrollieren. Dieser Lösungsansatz ist als sog. „Selbstorganisation" der feldüberhöhendeπ Strukturen bekannt. Hierdurch kann man die zwschen den Emittern auftretende elektrostatische Abschirmung weitestgehend ausschalten bzw. reduzieren. Das geometrisch überhöhte elektrische Feld Fι steigt somit an. Als zweites wird durch kontrolliertes Wachstum versucht, f(ß) zu kontrollieren und zu manipulieren. Das exponentielle Verhalten von f(ß) einer typischen Kohlenstoff-Kaltkathode, scheint zwar intrinsisch zu sein, aber indem man die Steigung der Gerade von f(ß) stark erhöht, bringt man eine grössere Anzahl Emitter in einen hohen ß-Bereich. Somit werden diese Emitter auch zum Erhöhen der Stromdichte beitragen. Als dritter Lösungsansatz ist der Einsatz von Ballastwiderständen bekannt und wird bereits für Mikrospitzen verwendet. Wenn ein oder mehrere Emitter in Serie mit einem Widerstand, z.B. in Form einer Widerstandsschicht, geschaltet werden, weicht die Emission von dem typischen Fowler-Nordheim Verhalten ab. Je grösser das geometrisch überhöhte Feld F| wird, um so mehr weicht der Strom von der F-N-Kennlinie, ab.In principle, three approaches are known in the prior art to improve the current and emitter density. First of all, controlled growth attempts to control the emitter-emitter distance or the emitter geometry (height-radius of curvature ratio). This approach is known as the so-called "self-organization" of the field-increasing structures. In this way, the electrostatic shielding that occurs between the emitters can be largely switched off or reduced. The geometrically excessive electrical field Fι thus increases. Secondly, attempts are made through controlled growth, f ( The exponential behavior of f (ß) of a typical carbon cold cathode seems to be intrinsic, but by increasing the slope of the straight line of f (ß) a lot of emitters are brought in a high ß-range. Thus, these emitters will also contribute to increasing the current density. As a third solution, the use of ballast resistors is known and is already used for microtips. If one or more emitters in series with a resistor, for example in the form of a resistance layer, are switched, the emission deviates from the typical Fowler Nordheim behavior. The larger the geometrically excessive field F | the more the current deviates from the F-N characteristic.
Dieser Effekt wird ausgenutzt, um den Strom der effizientesten Emitter zu unterdrücken. Das klingt paradox, aber dadurch wird eine stromin- duzierte Emitterzerstörung der stärksten Emitter verhindert und das von aussen angelegte elektrische Feld F kann somit erhöht werden. In das dadurch erhöhte elektrische Feld Fι können somit auch Emitter mit geringerem ß zur Stromdichte, siehe Gleichung 5, beitragen. Da diese, aufgrund des exponentiellen Verhaltens von f(ß), in sehr grossen Mengen vorkommen, steigt die Gesamtstromdichte der Kathode an.This effect is used to suppress the current of the most efficient emitters. That sounds paradoxical, but it prevents current-induced emitter destruction of the strongest emitters and the external electric field F can thus be increased. Emitters with a lower ß can thus also contribute to the current density in the electrical field F 1 thereby increased, see equation 5. Since these occur in very large quantities due to the exponential behavior of f (ß), the total current density of the cathode increases.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben aufgezeigten Nachteile thermionischer Strahlungsquellen zu überwinden und eine Bestrahlungsvorrichtung mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen unter Verwendung eines Hoch-Dosis-Strahlers mit geringen Leistungsverlusten der Kathode, vorzuschlagen, mit dem Objekte diverser Geometrie und in grossen Mengen gleichzeitig bestrahlt werden können. Insbesondere soll ein Röntgenstrahier vorgeschlagen werden, der eine mehrfach höhere Dosisleistung ermöglicht als konventionelle Röntgenstrahier. Ebenso soll der Prozentsatz an in Röntgen-Strahlen konvertierter und und nutzbarer Energie erhöht werden und eine gleichförmige Verteilung der Röntgen-Strahlen bezüglich der zu bestrahlenden Oberfläche und der Tiefe des Materials erhalten werden. Ferner soll die vorgeschlagene Vorrichtung auch eine kostengünstige Bestrahlung, insbesondere zur Sterilisation verschiedener Objekte und das Trocknen von Tinte und Polymer-Crosslinking, insbesondere im industriellen Massstab, ermöglichen. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele insbesondere durch die Elemente der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprü- chen sowie aus der Beschreibung hervor. Insbesondere werden diese Ziele durch die Erfindung dadurch erreicht, dass eine Röntgenröhre eine Kathode, die in einen vakuumisierten Innenraum Elektronen (e-) emittiert, und ein als Anode ausgebildetes Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (y) hoher Dosisleistung umfasst, wobei die Kathode mindestens eine Kaltkathode, basierend auf einem Elektronen (e- )-emittierenden Material mit feldüberhöhender Struktur umfasst. Die feldüberhöheπden Strukturen können z.B. Kohlenstoff-Nanotubes, korallenartiger Kohlenstoff, Metallspitzen, Silicium-Spitzen, Diamantspitzen und/oder Diamaπtpulver umfassen. Mit Vorteil emittieren die feldüberhöhenden Strukturen Elektronen (e') schon bei Raumtemperatur. Im Gegensatz zu den als thermioπische Elektronenquellen bekannten Heisskathoden benötigen sie keine Heizleistung, um Elektronen (e') in das Vakuum abzugeben . Auf der Oberfläche der Kathode iπtegrierbare feldüberhöhende Strukturen bewirken durch Verstärkung eines von aussen angelegten elektrischen Feldes eine Kaltemission von Elektronen (e"). Die Funktionsweise der Kaltkathoden beruht darauf, dass ein von aussen angelegtes elektrisches Feld an spitz ausgebildeten Strukturen überhöht wird, so dass hohe elektrische Felder, typischerweise z.B. in der Grössenordnung von 2000 - 4000 Volt pro Mikrometer, entstehen. Die Anode kann im Vergleich zur Elektronen- emittierenden Fläche der Kathode z.B. klein oder in gleichem Grössenverhältπis ausgebildet sein. Ein Vorteil dieser Erfindung ist es u.a., dass die Elektronenemission bei Raumtemperatur erfolgt und somit die Vorrichtung zur Heizung des Emitters entfällt. Weiter entfällt die Kühlung der unmittelbaren Umgebung der Emitter. Als weiterer Vorteil soll die Lebensdauer der Emitter erwähnt werden. Da der Emitter bei Raumtemperatur betrieben wird, findet keine Alterung durch Abdampfen des Emittermaterials statt. Wegen der Stromzuführungen und evt. Kühlung ist es schwierig, thermionische Elektroπenquellen so zu bauen, dass sie für Röntgenstrahleπ transparent sind. Dadurch sind die geometrischen Möglichkeiten bei der Bestrahlung weiter eingeschränkt. Röntgenröhren mit für Röntgenstrahlung transparentenThe object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of thermionic radiation sources shown above and to provide an irradiation device with X-rays or electron beams using a high-dose radiator with low power losses Propose cathode with which objects of various geometries and in large quantities can be irradiated simultaneously. In particular, an X-ray emitter is to be proposed which enables a dose rate that is several times higher than conventional X-ray emitters. Likewise, the percentage of energy converted into and usable in X-rays should be increased and a uniform distribution of the X-rays should be obtained with respect to the surface to be irradiated and the depth of the material. Furthermore, the proposed device should also enable inexpensive radiation, in particular for the sterilization of various objects, and the drying of ink and polymer crosslinking, in particular on an industrial scale. According to the present invention, these goals are achieved in particular by the elements of the independent claims. Further advantageous embodiments also emerge from the dependent claims and from the description. In particular, these objectives are achieved by the invention in that an X-ray tube comprises a cathode which emits electrons (e-) into a vacuumed interior and a target designed as an anode for generating X-rays (y) of high dose rate, the cathode comprising at least one Cold cathode, based on an electron (e-) emitting material with a field-increasing structure. The field-high structures can include, for example, carbon nanotubes, coral-like carbon, metal tips, silicon tips, diamond tips and / or diamond powder. The field-increasing structures advantageously emit electrons (e ' ) even at room temperature. In contrast to the hot cathodes known as thermionic electron sources, they do not require any heating power in order to release electrons (e ' ) into the vacuum. Field-increasing structures that can be integrated on the surface of the cathode cause a cold emission of electrons (e " ) by amplifying an externally applied electrical field. The functioning of the cold cathodes is based on the fact that an externally applied electric field is exaggerated in the case of pointed structures, so that high electrical fields, typically in the order of 2000 to 4000 volts per micrometer, arise, for example the anode can be small or the same compared to the electron-emitting surface of the cathode Size ratio be formed. One advantage of this invention is that the electron emission takes place at room temperature and thus the device for heating the emitter is omitted. There is also no cooling of the immediate surroundings of the emitters. The lifespan of the emitters should be mentioned as a further advantage. Since the emitter is operated at room temperature, there is no aging by evaporation of the emitter material. Because of the power supply and possibly cooling, it is difficult to build thermionic electron sources so that they are transparent to X-rays. As a result, the geometrical possibilities for irradiation are further restricted. X-ray tubes with transparent for X-rays
Kathoden und/oder Anoden sind deshalb im Stand der Technik nicht oder nur schwer herzustellen. In einer Ausführungsvariante umfasst die Kaltkathode mindestens eine Trägerschicht zum Halten des Elektronen (e-)-emittierenden Materials, wobei die Emissionsfläche der Kaltkathode im wesentlichen durch die Form der Trägerschicht definiert ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass fast beliebige geometrische Anordnungen realisiert werden können. In einer anderen Ausführungsvariante ist Geometrie und Raumanordung der Kaltkathode und/oder der Emissionsfläche der Kaltkathode durch die Formgebung der Trägerschicht bestimmt. Ein Vorteil dieser Ausführuπgsvariante ist u.a., dass die Geometrie der Bestrahlungseinheit einfach den Anforderungen des Bestrahlungsverfahren angepasst werden kann.Cathodes and / or anodes are therefore difficult or impossible to manufacture in the prior art. In one embodiment variant, the cold cathode comprises at least one carrier layer for holding the electron (e-) emitting material, the emission surface of the cold cathode being essentially defined by the shape of the carrier layer. One advantage of this variant is that almost any geometric arrangement can be realized. In another embodiment variant, the geometry and spatial arrangement of the cold cathode and / or the emission surface of the cold cathode is determined by the shape of the carrier layer. One advantage of this embodiment variant is that the geometry of the radiation unit can be easily adapted to the requirements of the radiation method.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist das Verhältnis der Fläche der Kaltkathode zur Schichttiefe gross. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Kathode sich für grossflächige Bestrahlungsvorrichtungeπ eignet.In a further embodiment variant, the ratio of the area of the cold cathode to the layer depth is large. One advantage of this variant is that the cathode is suitable for large-area irradiation devices.
In einer wieder anderen Ausführungsvariante ist durch die Flächenausdehnung und/oder Raumanordnung der Kaltkathode und/oder der Anode Form und Grosse des Bestrahlungsraumes der Röntgenröhre bestimmt. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das zu bestrahlende Gut von allen Seiten gleichzeitig bestrahlt werden kann. In einer Ausführungsvariante umfasst die Trägerschicht eine Matrix mit eingebetteten Kohlenstoff-Nanotubes und/oder korallenartig strukturierter Kohlenstoff. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariaπte ist u.a., dass sie für grossflächige Strahlervorrichtungen sehr wirtschaftlich wird. Kohlenstoff Nanoröhrchen sind kommerziell erhältlich und korallenartig strukturierter Kohlenstoff lässt sich grossflächig kostengünstig auftragen. Kohlenstoff ist ausserdem, aufgrund seiner starken kovalenten Verbindungen, resistenter als Metall-Mikrospitzen gegen lonenbomardemeπt und elektrische Entladungen. Kohlenstoff ist in der Lage, grosse Emissionsströme zu verkraften. In einer anderen Ausführungsvariante umfasst die ersteIn yet another embodiment variant, the shape and size of the irradiation space of the X-ray tube is determined by the surface area and / or spatial arrangement of the cold cathode and / or the anode. One advantage of this embodiment variant is that the material to be irradiated can be irradiated from all sides at the same time. In an embodiment variant, the carrier layer comprises a matrix with embedded carbon nanotubes and / or coral-like structured carbon. One advantage of this embodiment is that it becomes very economical for large-area emitter devices. Carbon nanotubes are commercially available and coral-like structured carbon can be applied inexpensively over a large area. Because of its strong covalent bonds, carbon is also more resistant than metal micro-tips to ion bombardment and electrical discharges. Carbon is able to cope with large emissions. In another embodiment variant, the first comprises
Trägerschicht der Kaltkathode mindestens ein Substrat mit keramischem Werkstoff oder Glas. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das Trägermaterial günstig, formbar und vakuumtauglich ist. Ausserdem ist die Abschwächung von Röntgenstrahlen durch diese Materialen relativ gering. In einer Ausführungsvariante umfasst die Trägerschicht mindestens eine Widerstandsschicht und/oder Leiterbahnschicht. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass der Emissionsstrom gleichmässig über die Kathodenoberfläche verteilt werden kann. Somit kann die spezifische Leistung auf die Anode optimal verteilt werden, und dadurch wird lokal Überhitzung vermieden.Carrier layer of the cold cathode at least one substrate with ceramic material or glass. One advantage of this design variant is that the carrier material is inexpensive, malleable and suitable for vacuum. In addition, the attenuation of X-rays by these materials is relatively low. In one embodiment variant, the carrier layer comprises at least one resistance layer and / or interconnect layer. One advantage of this variant is that the emission current can be distributed evenly over the cathode surface. The specific power can thus be optimally distributed to the anode, and local overheating is thereby avoided.
In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die Leiterbahnschicht eine aufgedampfte Kupferschicht. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das Kupfer gute elektrische und wärmeableiteπde Eigenschaften hat. Andere Metalle können ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden. In einer Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre alsIn a further embodiment variant, the conductor track layer comprises an evaporated copper layer. One advantage of this variant is that the copper has good electrical and heat-dissipating properties. Other metals can also be used to advantage. In one embodiment, the x-ray tube is as
Anodenhohizylinder mit einem koaxialen Kathodenhohizylinder im Inneren ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut im Inneren des Kathodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Innen - Rückstrahler). In einer anderen Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre alsAnode high cylinder formed with a coaxial cathode high cylinder inside. This variant has the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached to the inside of the hollow cathode cylinder (the radiation goes to the inside - reflector). In another embodiment variant, the x-ray tube is as
Anodenhohizylinder mit einem koaxialen Kathodenhohizylinder ausserhalb der Anode ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut im Inneren des Anodenhohlylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Innen - Transmissionstrahler).Anode high cylinder formed with a coaxial cathode high cylinder outside the anode. This variant has the advantage that, for example the material to be irradiated can be placed inside the anode hollow liner (the radiation goes inside - transmission radiator).
In wieder einer Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre als Anodenhohizylinder mit einem koaxialen Kathodenhohizylinder im Inneren ausgebildet. Diese Ausführuπgsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut ausserhalb des Anodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Aussen - Transmissionstrahler). In einer weiteren Ausführungsvariaπte ist die Röntgenröhre als Anodenhohizylinder mit einem koaxialen Kathodenhohizylinder ausserhalb der Anode ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut ausserhalb des Kathodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach aussen - Rückstrahler). In einer anderen Ausführungsvariaπte ist der Querschnitt der Kaltkathode und/oder Anode als Vollkreis, Kreissegment, Kreisring, Dreieck, Viereck, Vieleck oder beliebig definierbarer Polygonzug ausgebildet. Die Länge dieser Anordnung ist prinizipell beliebig wählbar. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Strahleranordnung sich modular zusammenbauen lässt.In another embodiment variant, the x-ray tube is designed as an anode high cylinder with a coaxial high cathode cylinder inside. This version has among other things the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached outside the hollow anode cylinder (the radiation goes outside - transmission radiator). In a further embodiment, the x-ray tube is designed as an anode high cylinder with a coaxial high cathode cylinder outside the anode. This variant has the advantage that e.g. the material to be irradiated can be attached outside the cathode hollow cylinder (the radiation goes outwards - reflectors). In another embodiment, the cross section of the cold cathode and / or anode is designed as a full circle, segment of a circle, annulus, triangle, square, polygon or any definable polygon. The length of this arrangement is in principle arbitrary. One advantage of this variant is that the spotlight arrangement can be assembled modularly.
In einer Ausführungsvariante ist das Elektronen (e-)-emittierende Material auf der Trägerschicht mit definiertem Abstand nebeneinander und/oder hintereinander und/oder benachbart angeordnet. Dies hat u.a fertigungstechnische Vorteile, da das Extraktionsgitter in flache Geometrien sich einfacher bauen lässt. Somit kann ein Vielzahl solcher Strahler-Module zu einer komplexen Geometrie der Strahleranordnung zusammengebaut werden. In einer Ausführuπgsvariante ist die Kaltkathode fürIn one embodiment variant, the electron (e -) emitting material is arranged on the carrier layer at a defined distance next to one another and / or one behind the other and / or adjacent. This has advantages in terms of production technology, among other things, since the extraction grid can be built more easily in flat geometries. A large number of such radiator modules can thus be assembled into a complex geometry of the radiator arrangement. In one embodiment, the cold cathode is for
Röntgenstrahlung (y) transparent oder im Wesentlichen transparent ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass eine Rückoder Transmissionstrahleranordnung ohne spezielle Kühlvorrichtungen der Kaltkathode (ausser Luftkoπvektion) erbaut werden kann. In einer Ausführuπgsvariante ist zwischen Kaltkathode und Anode wenigstens ein Extraktionsgitter angeordnet. Zwischen Kaltkathode und Extraktionsgitter kann z.B. ein elektrischer Isolator angeordnet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass der Abstand Extraktionsgitter- Kaltemitter konstant über die Emissionfläche gehalten werden kann. Somit kann die örtliche Variation der Emissionsintensität reduziert werden. Die Verwendung eines Extraktioπsgitters kann unter Umständen auch als Schutz gegen lonenbomardement und elektrische Entladungen dienen. In einer anderen Ausführungsvariante weist die Anode mindestens eine Kühlmittelschicht (KM) auf, wobei die Kühlmittelschicht (KM) ein flüssiges Kühlmittel (KM), und/oder ein gasförmiges Kühlmittel (KM) umfasst. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Anode eine höhere spezifische Elektronenintensität ertragen kann. Somit kann eine höhere Dosisleistung erziehlt werden. An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass sich die vorliegende Erfindung neben der erfindungsgemässen Röntgenröhre auch auf ein Verfahren zur Sterilisation und/oder Bestrahlung mittels einer erfindungsgemässen Röntgenröhre sowie auf eine ebensolche Elektronenkanone bezieht. Nachfolgend werden Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindungen anhand von Beispielen beschrieben. Die Beispiele der Ausführungen werden durch folgende Figuren illustriert:X-ray radiation (y) is transparent or essentially transparent. An advantage of this embodiment variant is, inter alia, that a rear or transmission radiator arrangement can be built without special cooling devices for the cold cathode (apart from air convection). In one embodiment, at least one extraction grid is arranged between the cold cathode and the anode. Between cold cathode and Extraction grid, for example, an electrical insulator can be arranged. One advantage of this embodiment variant is that the distance between the extraction grid and the cold emitter can be kept constant over the emission area. The local variation in the emission intensity can thus be reduced. Under certain circumstances, the use of an extraction grid can also serve as protection against ion bombardment and electrical discharges. In another embodiment variant, the anode has at least one coolant layer (KM), the coolant layer (KM) comprising a liquid coolant (KM) and / or a gaseous coolant (KM). One advantage of this embodiment variant is that the anode can withstand a higher specific electron intensity. A higher dose rate can thus be achieved. At this point it should be noted that in addition to the X-ray tube according to the invention, the present invention also relates to a method for sterilization and / or radiation using an X-ray tube according to the invention and to an electron gun of the same type. Variants of the present invention are described below with the aid of examples. The examples of the designs are illustrated by the following figures:
Figur 1 zeigt eine Röntgenröhre mit thermoionischer Elektronenquelle nach dem Stand der Technik. Dabei werden Elektronen (e") von einer Kathode 30 emittiert und Röntgenstrahlen - von einer Anode 20 durch ein Fenster 301 abgestrahlt. Figur 2 zeigt eine Kaltelektronen (e") emittierende Kathode; schematisch ist eine lithographisch strukturierte Kathode mit Metallspitzen als feldüberhöhende Strukturen des Standes der Technik dargestellt.FIG. 1 shows an X-ray tube with a thermionic electron source according to the prior art. Electrons (e " ) are emitted by a cathode 30 and X-rays are emitted by an anode 20 through a window 301. FIG. 2 shows a cathode emitting cold electrons (e " ); a lithographically structured cathode with metal tips as field-increasing structures of the prior art is shown schematically.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemässen Ausführungsform einer Röntgenröhre in hohlzylindrischer Form, insbesondere ist schematisch der Querschnitt durch die hohizylindrische Kaltkathoden-Anoden- Anordnung und den ebenfalls ausgebildeten Bestrahlungsraum dargestellt. Damit kann im Inneren des Kathodenhohlzylinders 31 eine z.B. gleichmässige 4τr-Gammastrahlung erreicht werden. Das zu bestrahlende Gut kann im Inneren des Anodenhohlzylinders 31 angebracht werden. Dies garantiert eine gleichmässige Bestrahlung des Objektes von allen Seiten, was ansonsten kaum möglich wäre.3 shows a cross section of an embodiment of an x-ray tube according to the invention in a hollow cylindrical shape, in particular the cross section through the hollow cylindrical cold cathode anode arrangement and the radiation chamber, likewise formed, is shown schematically. Thus, for example, a uniform 4τr gamma radiation can be achieved inside the cathode hollow cylinder 31. The material to be irradiated can be attached inside the anode hollow cylinder 31. This guarantees a uniform radiation of the object from all sides, which would otherwise hardly be possible.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt einer Kaltkathode mit Kohlenstoff- Nanotubes mit Extraktionsgitter in einer sog. Triodenkonfiguration der Elektroden. Fig. 5a zeigt den Querschnitt einer Transmissionsstrahleranordnung in variabler Elektroden-Geometrie mit modular zusammengesetzten4 shows the cross section of a cold cathode with carbon nanotubes with an extraction grid in a so-called triode configuration of the electrodes. 5a shows the cross section of a transmission radiator arrangement in variable electrode geometry with a modular composition
Kaltkathoden als Elektronenquellen in einem Teilkreissegment. Um eine 4ττ- Gammastrahlung, siehe auch Fig. 3, zu erreichen, kann ein Vielzahl solcher Transmissionsstrahleranordnungen vorteilhaft modular zusammengebaut werden. Die Ausdehnung der Transmissionstrahleranordnung ist in der Längsrichtung, senkrecht zur Papierebeπe, frei wählbar. Fig. 5b zeigt den Querschnitt einer Transmissionsstrahleranordnugen nach Fig. 5a, mit einem Spezialfall der Bemessung der Kaltkathoden und Anodenradien, wobei Kathode und Anode parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Fig.βa zeigt den Querschnitt einer Rückstrahleranordnung in variabler Elektroden-Geometrie mit modular zusammengesetzten Kaltkathoden als Elektroπenquellen in einem Teilkreissegment. Die Trägerschicht der Kathode und die Kaltkathode sind im wesentlichen für Röntgenstrahlung transparent. Die Ausdehnung der Rückstrahleranordπung ist in der Längsrichtung, senkrecht zur Papierebeπe, frei wählbar.Cold cathodes as electron sources in a partial circle segment. In order to achieve a 4ττ gamma radiation, see also FIG. 3, a large number of such transmission radiator arrangements can advantageously be assembled in a modular manner. The extent of the transmission radiator arrangement can be freely selected in the longitudinal direction, perpendicular to the paper plane. 5b shows the cross section of a transmission radiator arrangement according to FIG. 5a, with a special case of the dimensioning of the cold cathodes and anode radii, the cathode and anode being arranged in parallel or essentially in parallel. Fig.βa shows the cross section of a reflector arrangement in variable electrode geometry with modular cold cathodes as Elektroπen sources in a partial circle segment. The carrier layer of the cathode and the cold cathode are essentially transparent to X-rays. The extent of the reflector arrangement can be freely selected in the longitudinal direction, perpendicular to the paper plane.
Fig. 6b zeigt den Querschnitt einer Rückstrahlanordnung nach Fig. 6a, mit einem Spezialfall der Bemessung der Kaltkathoden und Anodenradien, wobei Kathode und Anode parallel oder im wesentlichen parallel angeordnet sind. Fig. 7 zeigt einen Elektronentransmissionsstrahler mit modularerFIG. 6b shows the cross section of a retroreflective arrangement according to FIG. 6a, with a special case of dimensioning the cold cathodes and anode radii, the cathode and anode being arranged in parallel or essentially in parallel. Fig. 7 shows an electron transmission emitter with a modular
Kaltkathode, in einer Anordnung analog zu Fig. 5b. Figur 1 zeigt schematisch eine Architektur einer solchen konventionellen Röntgenröhre 10 des Standes der Technik. Dabei werden Elektronen e" von einem Elektronenemitter, d.h. einer Kathode 30, in der Regel einer heissen Wolframwendel, emittiert durch eine angelegte Hochspannung auf ein Target s beschleunigt, wobei Röntgenstrahlen y vom Target, d.h. der Anode 20, durch ein Fenster 301 abgestrahlt werden. D.h., beim Auftreffen der Elektronen e' auf dem Target wird im dabei entstehenden Brennfleck Röntgenstrahlung y erzeugt. Die Röntgenstrahlung y tritt durch ein Fenster 301 in den Aussenraum und wird zu Bestrahlungszwecken genutzt. Von der auf dem Target 200 erzeugten Strahlung gelangt nur ein kleiner Teil auf das zu bestrahlende Gut. Aus geometrischen Gründen wird der grösste Teil der Strahlung in der Röhre selbst absorbiert. Damit muss, je nach Grosse des Objektes, ein bestimmter Bestrahlungsabstand gewählt werden, um das Objekt vollständig zu bestrahlen. In konventionellen Anordnungen kann typischerweise nur etwa 10 % der Strah¬s lung in den Halbraum der Targetoberfläche genutzt werden. Figur 1 zeigt ein Abstrahlfenster 301 mit einer Öffnung von 50°. Figur 2 zeigt schematisch eine bekannte lithographisch strukturierte Kaltkathode 22 des Standes der Technik. Auf einen kostengünstigen Träger 201, z.B. einem keramischen Substrat, ist eine Leiterbahnschicht 2020 aufgedampft, auf dieser ist ferner eine Widerstandsschicht 203 aufgebracht. Auf der Widerstandsschicht 203 sind als feldüberhöhende Stukturen 70, auch (Elektronen)emitter genannt, Metall-Spitzen 70a aus Molybdän aufgebracht. Die Metall-Spitzen 70a sind beabstandet durch jeweils seitlich benachbart angeordnete Isolatoren 60. Beabstandet in der Höhe, d.h. von der5 Widerstandsschicht 203 nach oben, ist auf der Oberfläche der Isolatoren 60 ein Gate 80, auch Gitter genannt, formschlüssig aufgebracht. Ein elektrisches Feld F (nicht dargestellt) wird zwischen die Metall-Spitzen 70a und das Gate 80, welches in der Funktion eines Extraktionsgitters aus einem metallischen Werkstoff besteht, angelegt. Das Gate 80 ist sowohl von dero Widerstandsschicht 203 als auch den Metall-Spitzen 70a elektrisch (isoliert) und räumlich getrennt und hat eine Öffnung von typischerweise einigen Mikrometern. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate 80 und den Emittern 70a beträgt typischerweise weniger als 100 Volt. Für Anwendungen beispielsweise in Flachbildschirmen müssen Gruppen (Pixels) von zehn bis5 mehreren hundert solcher Mikrospitzeπ 70a parallel angesteuert werden können. Dies ist bei Röntgenröhren nicht zwingend notwendig. Fig. 3 zeigt im Querschnitt das Schema einer Röntgenröhre 11 , die in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer hohlzylindrischen Kaltkathode 21 und einer hohlzylindrischen Anorde 31, welche koaxial zueinander angeordnet sind, aufgebaut ist. Die gemeinsame Mittenachse beider Hohlzylinder verläuft, wie im Querschnitt der Fig. 3 sichtbar, durch den gemeinsamen Mittelpunkt MP. Auf einem äusseren Vollkreis mit dem Radius r1 bezüglich des Mittelpunktes MP ist im Querschnitt die Kaltkathode 21 der Röntgenröhre 11 dargestellt. Die Kaltkathodenoberfläche weist, wie im Schema des Ausschnittes A herausgezogen und vergrössert dargestellt, eine Matrix mit eingebetteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen 71a als feld überhöhende Strukturen auf. Von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden bereits bei Raumtemperatur in Folge eines von aussen angelegten elektrischen Feldes F (nicht dargestellt ) Elektronen (e") in den vakuumisierten Innenraum 40 der Röntgenröhre 11 abgegeben. Diese Elektronen (e") treffen somit beschleunigt auf das anodenseitige Target 31 auf und bewirken bekannterweise die Emission von Röntgenstrahlung (γ). Die Röntgenstrahlung (γ) wird aufgrund der Anordnung der Anode 31 mit kleinerem Radius r2 bezüglich des Mittelpunktes MP in einen ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildeten Bestrahlungsraum 90 allseitig abgestrahlt. Unter Verwendung eines für Röntgenstrahlung (γ) nicht transparenten Träger-Materials für die Kaltkathode 21 wird in der gezeigten Abbildung der Fig. 3 ein Transmissionsstrahler mit einer Diodenkonfiguration der Elektroden 21, 31 gebildet. Somit liegt die volle Hochspannung zwischen der kalten Elektronen (e") emittierenden Kathode 21 und der Anode 31 an, im Gegensatz zur anderen Anordnung ist hier kein Extraktionsgitter angeordnet. Während die feldüberhöhenden Strukturen, insbesondere die Kohlenstoff- Nanoröhrchen 71 , in einer Matrix 71 a auf der Kaltkathodenoberfläche eingebettet sind, vgl. Vergrösserung A, besteht das Trägermaterial (nicht dargestellt) der Kaltkathode 21 beispielsweise aus einem preisgünstigen keramischen Substrat. Dieses die Röntgenröhre 11 nach aussen hin abschliessende Substrat bildet bereits den äusseren Abschluss des gesamtenCold cathode, in an arrangement analogous to Fig. 5b. Figure 1 schematically shows an architecture of such a conventional X-ray tube 10 of the prior art. Electrons e " are accelerated by an electron emitter, ie a cathode 30, usually a hot tungsten filament, emitted by a high voltage applied to a target s, X-rays y being emitted by the target, ie the anode 20, through a window 301. This means that when the electrons e ' strike the target, x-ray radiation y is generated in the focal spot that is created. The x-ray radiation y passes through a window 301 into the outside space and is used for radiation purposes. Only a small part of the radiation generated on the target 200 reaches it For geometrical reasons, most of the radiation is absorbed in the tube itself, so that depending on the size of the object, a certain irradiation distance must be selected in order to completely irradiate the object. In conventional arrangements, typically only about 10% of the radiation in the half-space of the target surface can be used ur 1 shows a radiation window 301 with an opening of 50 °. FIG. 2 schematically shows a known lithographically structured cold cathode 22 from the prior art. A conductor track layer 2020 is evaporated onto an inexpensive carrier 201, for example a ceramic substrate, and a resistance layer 203 is also applied to this. Metal tips 70a made of molybdenum are applied to the resistance layer 203 as field-increasing structures 70, also called (electron) emitters. The metal tips 70a are spaced apart by insulators 60 arranged laterally adjacent to one another. Spaced apart in height, ie upwards from the resistance layer 203, a gate 80, also called a grid, is positively applied to the surface of the insulators 60. An electric field F (not shown) is applied between the metal tips 70a and the gate 80, which in the function of an extraction grid consists of a metallic material. Gate 80 is electrically (insulated) and spatially separated from both resistive layer 203 and metal tips 70a and typically has an opening of a few micrometers. The voltage difference between gate 80 and emitters 70a is typically less than 100 volts. For applications in flat screens, for example, groups (pixels) of ten to five several hundred such micro tips 70a must be able to be controlled in parallel. This is not absolutely necessary for X-ray tubes. FIG. 3 shows in cross section the diagram of an X-ray tube 11 which, in a preferred embodiment, is made up of a hollow cylindrical cold cathode 21 and a hollow cylindrical array 31 which are arranged coaxially to one another. The common center axis of both hollow cylinders runs, as can be seen in the cross section of FIG. 3, through the common center point MP. The cold cathode 21 of the x-ray tube 11 is shown in cross-section on an outer full circle with the radius r1 with respect to the center MP. The cold cathode surface, as drawn out and shown enlarged in the diagram of section A, has a matrix with embedded carbon nanotubes 71a as field-increasing structures. Electrons (e " ) are emitted from the carbon nanotubes into the vacuumized interior 40 of the X-ray tube 11 already at room temperature as a result of an external electric field F (not shown). These electrons (e " ) thus strike the target on the anode side in an accelerated manner 31 and are known to cause the emission of X-rays (γ). The x-ray radiation (γ) is emitted on all sides due to the arrangement of the anode 31 with a smaller radius r2 with respect to the center MP in a radiation chamber 90, which is likewise hollow cylindrical. Using a carrier material for the cold cathode 21 that is not transparent to X-ray radiation (γ), a transmission radiator with a diode configuration of the electrodes 21, 31 is formed in the illustration shown in FIG. 3. Thus, the full high voltage between the cold electron (e ") is located on emissive cathode 21 and the anode 31, in contrast to the other arrangement, no extraction grid is arranged here. While the field-enhancing structures, in particular the carbon nanotube 71 in a matrix 71 a are embedded on the cold cathode surface, see enlargement A, the carrier material (not shown) of the cold cathode 21 consists, for example, of an inexpensive ceramic substrate, which already closes off the X-ray tube 11 to the outside from the outside
Röntgenröhrenraumes und umschliesst sowohl den vakuumisierten Innenraum 40 als auch den Bestrahlungsraum 90 in der Art einer Doppelwand. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen ist das Trägersubstrat aussen gegebenenfalls mit einer weiteren Schicht metallisiert oder umfasst eine nicht dargestellte weitere Gehäusewandung aus Metall oder auch einem polymeren Werkstoff. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist bei der Verwendung von kalt Elektronen (e") emittierenden Kathoden 21 nur eine Kühlung der Anodenoberfläche notwendig. Die Kühlung kann mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel KM, wie beispielsweise Wasser, Oel oder Luft erfolgen. Der schematisch dargestellte Kühlmittel räum mit einem Radius r3 (r3 kleiner r2) vom Mittelpunkt MP der gemeinsamen Mittenachse von Anode 31 und Kaltkathode 21 5 ausgehend, umschliesst gemeinsam mit der Anode 31 den ebenfalls hohl- zylindrisch ausgebildeten Bestrahlungsraum 90. Als Material für die Anode 31 wird bekannterweise ein Metall mit hoher Ordnungszahl, z.B. Wolfram verwendet. In der Ausführung der in Fig. 3 beschriebenen Kathodenoberflächen sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 71 oder auch andere verwendete feldüberhö-X-ray tube room and encloses both the vacuumized interior 40 and the radiation room 90 in the manner of a double wall. In further embodiments, not shown, the carrier substrate is optionally metallized on the outside with a further layer or comprises a further housing wall, not shown, made of metal or a polymeric material. As shown in Fig. 3, when using cold electron (e " ) emitting cathodes 21 is only cooling the anode surface necessary. The cooling can be carried out with a liquid or gaseous coolant KM, such as water, oil or air. The schematically illustrated coolant has a radius r3 (r3 smaller than r2) starting from the center MP of the common center axis of the anode 31 and cold cathode 21 5, encloses together with the anode 31 the likewise hollow-cylindrical radiation chamber 90. As material for the anode 31 is known to use a metal with a high atomic number, for example tungsten. In the embodiment of the cathode surfaces described in FIG. 3, the carbon nanotubes 71 or other used field-exceeding
10 hende Strukturen 70 dem lonenbeschuss ausgesetzt. Restgase (auch in tiefen Konzentrationen) können im Elektronenstrahl ionisiert werden. Sie können somit Energien entsprechend der voll angelegten Kathoden/Anoden-Spannung (nicht dargestellt) beim Auftreffen auf die Kaltkathode 21 erhalten. Allerdings können aufgrund der starken atomaren Bindung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen10 structures 70 exposed to ion bombardment. Residual gases (even in low concentrations) can be ionized in the electron beam. You can thus receive energies corresponding to the fully applied cathode / anode voltage (not shown) when it hits the cold cathode 21. However, due to the strong atomic bond of the carbon nanotubes
15 71 diese den lonenbeschuss in einem gewissen Masse aushalten. Insbesondere aus Kostengründen ist der Aufbau einer Röntgenröhre 11 mit einer Rundstrahlertransmissionsanordnung nach Fig. 3 von Kaltkathode 21 und Anode 31 interessant, denn ohne Extraktionsgitter oder Gate kann die Strahleranordnung einfach und kostengünstig hergestellt werden.15 71 these endure the ion bombardment to a certain extent. The construction of an x-ray tube 11 with an omnidirectional transmission arrangement according to FIG. 3 of cold cathode 21 and anode 31 is of particular interest for cost reasons, because the radiator arrangement can be produced simply and inexpensively without an extraction grid or gate.
20 Insbesondere ist ein vollflächiger Auftrag der feldüberhöhenden Struktur 71 auf ein keramisches Substrat herstellungstechnisch einfach möglich.20 In particular, application of the entire area of the structure 71 which overlaps the field to a ceramic substrate is easily possible in terms of production technology.
Fig. 4 zeigt im schematischen Querschnitt die Anordnung einer Kaltkathode 23 mit Extraktionsgitter 80; die zur Strahleranordnung zugehörige Anode ist nicht dargestellt. Auf einem Trägermaterial 201 , z.B. einem kosten-Fig. 4 shows in schematic cross section the arrangement of a cold cathode 23 with extraction grid 80; the anode associated with the emitter arrangement is not shown. On a carrier material 201, e.g. a cost
25 günstigen keramischen Substrat, ist zunächst eine Schicht mit Leiterbahnen 202 aufgedampft. Die Leiterbahnschicht 202 dient zum Ansteuern der einzelnen feldüberhöhenden Strukturen 71 an der Oberfläche der Kathode 23. Zwischen die Leiterbahnschicht 202 und die feldüberhöhende Struktur 71 ist eine Widerstandsschicht 203 in Reihe zu den feldüberhöhenden Strukturen 71 ein-25 favorable ceramic substrate, a layer with conductor tracks 202 is first evaporated. The conductor track layer 202 serves to control the individual field-increasing structures 71 on the surface of the cathode 23. Between the conductor track layer 202 and the field-increasing structure 71, a resistance layer 203 is arranged in series with the field-increasing structures 71.
30 gebracht. Diese Widerstandsschicht 203 dient, gemäss dem bereits oben beschriebenen dritten Lösungsansatz, zur Verbesserung der Stromdichte und Emitterdichte als Baiastwiderstand. Die Schichten 201, 202, 203 sind im Wesentlichen für Röntgenstrahlung transparent und auch resistent gegen die Strahlung. Das bedeutet, dass die Haftung, beziehungsweise die elektrische30 brought. This resistance layer 203 serves, according to the third solution already described above, to improve the current density and emitter density as a Baiast resistance. The layers 201, 202, 203 are essentially transparent to X-rays and also resistant to the radiation. That means liability, or electrical
35 Eigenschaften laπgzeitstabil sind. Als weiteres Problem wurde, wie bereits erwähnt, insbesondere die Emitterzerstörung in Folge der mangelnden Haftung des Emitters auf der Kathodenoberfläche erkannt. Die Emitterzerstörung kann unter Umständen mehr durch ström- und feldinduzierte Zerstörung als durch lonenbeschuss oder elektrische Entladungen erfolgen. Jedoch kann die mangelnde Haftung des Emitters sich in einer ungenügenden Langzeitstabilität der Strahlerleistung negativ auswirken. Demzufolge sind Massnahmen zu ergreifen, die die Langzeitstabilität der Strahlerleistuπg konstant halten; dies erfolgt, indem die Extraktionsspannuπg in Abhängigkeit der Zeit erhöht wird. Um eine zeitlich variable Extraktionsspannung zu gewährleisten, ist eine Anordnung der Elektroden in Triodenkonfiguration, wie in Fig.4 im Schema dargestellt, besonder vorteilhaft. Die Extraktionsspannung (nicht dargestellt) wird zwischen dem Gate 80 und der Kaltkathode 23 angelegt und beträgt typischerweise 10 bis 10O00 Volt in Abhängigkeit von der Geometrie der feldüberhöhenden Strukturen 71 und dem Abstand zwischen Kathodenoberfläche und Gate 80; letzterer gekennzeichnet durch Pfeil d. In der in Fig. 4 gezeigten Ausführung sind die felderhöhenden Strukturen 71 weniger dem lonenbeschuss und vor allem weniger den möglichen elektrischen Hochspannungsentladungen ausgesetzt. Mit zusätzlichem Aufwand und damit auch mit zusätzlichen Kosten ist die räumliche und elektrische Trennung des Gates 80 von der Oberfläche der Kaltkathode 23 verbunden. Die elektrische/räumliche Trennung erfolgt mit einem Isolator 60, dessen Höhe bzw. Dicke dem Abstand (Pfeil d) vom Gate 80 zu der Oberfläche der Kaltkathode 23 entspricht. Die Isolatoren/Platzhalter 60 können, zum Beispiel wie die Kaltkathode 23 selbst, auch flächig ausgebildet sein und die Form beispielsweise einer perforierten Glas- oder Keramikplatte aufweisen. Jeder Platzhalter 60 besteht somit aus beispielsweise einem Glasstäbchen, was insbesondere bei grossflächiger Ausbildung der Kaltkathode preisgünstig ist. Als Gate 80 (auch Extraktionsgitter genannt) kann auf die von der Kathodenoberfläche abgewandte Stirnseite der Isolatoren 60 beispielsweise ein Metall aufgedampft sein. Ferner kann als Gate 60 auch ein Metallgitter mit variablem Lochabstand, im Querschnitt der Fig. 4 mit Pfeil c angedeutet, und mit variabler Stegbreite, im Querschnitt der Fig. 4 mit Pfeil b, angedeutet, verwendet werden. Bei der Ausführung der Triodenstrahleranordnung gemäss Fig. 4 muss grosser Wert auf die Geometrie des Gates 80 (Pfeile a - d), gelegt werden. Dabei legen die bereits erwähnten Pfeilen b und c das Perforationsmuster bzw. die Gitterstegöffnung des Isolators 60 fest, durch Pfeil d wird der Abstand der Kathodenoberfläche zum Gate 80 bestimmt und Pfeil a legt den Abstand zwischen zwei Isolatoren 60 fest. Durch die vorstehend genannten Werte der Bemessung (Pfeile a bis d) sind Leistungsverluste und die Extraktionsspannung bestimmt. Je grösser die abschirmende Fläche des Gates 80 gegen die Kathode 23 ist, wobei die Fläche für die Platzhalter/Isolatoren 60 weggerechnet wird, desto grösser werden die Verluste am Gate 80. In einem optimierten Design muss also die Gitterstegbreite (Pfeil b) möglichst klein und die Gitterstegöffnung (Pfeil c) möglichst gross bemessen sein. Während die Gitterstegöffnung (Pfeil c) nicht beliebig gross bemessen werden kann, da sonst das von aussen angelegte elektrische Feld F (nicht dargestellt) am Emitterort zu klein wird, muss die Gitterstegbreite (Pfeil b) ausrei- chend gross bemessen sein, damit das gitterförmige Gate 80 aufgrund der elektrostatischen Anziehung nicht zu stark deformiert wird. Aus letztgenanntem Grund kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn unterhalb eines jeden Gittersteges 80a ein separater Platzhalter/Isolator 60 angeordnet ist. Hierdurch wird der Abstand zwischen zwei Isolatoren (Pfeil a) genauso gross wie die Gitterstegöff- nung (Pfeil c). In einem ersten Design der Kaltkathode 23 nach Fig.4 kann beispielsweise von folgenden Wertebereichen ausgegangen werden: (i) Abstand zwischen zwei Isolatoren (Pfeil a) 0,01 bis 2 mm; (ii) Gitterstegbreite (Pfeil b) 0,01 bis 0,2 mm; (iii) Gitterstegöffnung (Pfeil c) 0,01 bis 0,3 mm; (iv) Abstand der Kathodenoberfläche zum Gate (Pfeil d) 0,01 bis 2 mm. Bei grossen Werten von dem Abstand der Oberfläche der Kathode 23 zum Gate 80 (Pfeil d) muss mit einer typischen Extraktionsspannung von mehreren tausend Volt gearbeitet werden. Hierdurch erhöhen sich die Leistungsverluste am Gate 80 erheblich. Bei einem Abstand des Gates 80 von der Oberfläche der Kathoden 23, der beispielsweise einige Dutzend μm beträgt, reicht allgemein elektrische Extraktionsspannung bis zu einigen hundert Volt aus, dafür ist aber das Risiko eines Kurzschlusses einer nicht lithografisch definierten Kathode relativ gross. Somit muss im Design der Kaltkathode 23 ein Kompromiss der genannten Abstände, angedeutet durch die Pfeile a, b, c und d gemacht werden. Es ist somit von weiterem Vorteil, die Kathode 23 mit einem lithografischen Verfahren herzustellen, wobei definierte Gate-, Isolator- und Emitterflächen im Mikrometerbereich verwendet werden.35 properties are long-term stable. As already mentioned, the emitter destruction due to the lack of liability was a further problem of the emitter recognized on the cathode surface. Under certain circumstances, the emitter can be destroyed more by current and field-induced destruction than by ion bombardment or electrical discharges. However, the lack of adhesion of the emitter can have an adverse effect on the long-term stability of the emitter performance. As a result, measures must be taken to keep the long-term stability of the radiator power constant; this is done by increasing the extraction voltage as a function of time. In order to ensure a temporally variable extraction voltage, an arrangement of the electrodes in a triode configuration, as shown in the diagram in FIG. 4, is particularly advantageous. The extraction voltage (not shown) is applied between the gate 80 and the cold cathode 23 and is typically 10 to 10000 volts depending on the geometry of the field-increasing structures 71 and the distance between the cathode surface and the gate 80; the latter indicated by arrow d. In the embodiment shown in FIG. 4, the field-increasing structures 71 are less exposed to ion bombardment and, above all, less to the possible high-voltage electrical discharges. The spatial and electrical separation of the gate 80 from the surface of the cold cathode 23 is associated with additional effort and thus also with additional costs. The electrical / spatial separation takes place with an insulator 60, the height or thickness of which corresponds to the distance (arrow d) from the gate 80 to the surface of the cold cathode 23. The insulators / placeholders 60, for example like the cold cathode 23 itself, can also be flat and have the shape of a perforated glass or ceramic plate, for example. Each placeholder 60 thus consists, for example, of a glass rod, which is inexpensive, in particular if the cold cathode is formed over a large area. As gate 80 (also called extraction grid), for example, a metal can be evaporated onto the end face of insulators 60 facing away from the cathode surface. Furthermore, a metal grid with variable hole spacing, indicated by arrow c in the cross section of FIG. 4 and with a variable web width, indicated by arrow b in the cross section of FIG. 4, can also be used as gate 60. 4, great value must be placed on the geometry of the gate 80 (arrows a - d). The arrows b and c already mentioned define the perforation pattern or the lattice web opening of the insulator 60, arrow d determines the distance from the cathode surface to the gate 80, and arrow a defines the distance between two insulators 60. Through the above The specified values of the design (arrows a to d) determine the power losses and the extraction voltage. The larger the shielding area of the gate 80 against the cathode 23, the area for the placeholders / insulators 60 being eliminated, the greater the losses at the gate 80. In an optimized design, the grid web width (arrow b) must be as small as possible and the grid web opening (arrow c) should be as large as possible. While the grid web opening (arrow c) cannot be dimensioned arbitrarily large, since otherwise the externally applied electrical field F (not shown) at the emitter location becomes too small, the grid web width (arrow b) must be dimensioned sufficiently large so that the grid-shaped Gate 80 is not deformed too much due to the electrostatic attraction. For the latter reason, it can furthermore be advantageous if a separate placeholder / insulator 60 is arranged below each grid web 80a. As a result, the distance between two insulators (arrow a) is the same as the grating bar opening (arrow c). In a first design of the cold cathode 23 according to FIG. 4, the following value ranges can be assumed, for example: (i) distance between two insulators (arrow a) 0.01 to 2 mm; (ii) grid web width (arrow b) 0.01 to 0.2 mm; (iii) grid web opening (arrow c) 0.01 to 0.3 mm; (iv) Distance of the cathode surface to the gate (arrow d) 0.01 to 2 mm. For large values of the distance from the surface of the cathode 23 to the gate 80 (arrow d), a typical extraction voltage of several thousand volts must be used. This significantly increases the power losses at gate 80. At a distance of the gate 80 from the surface of the cathodes 23, which is, for example, a few dozen μm, electrical extraction voltage up to a few hundred volts is generally sufficient, but the risk of a short circuit of a cathode not defined by lithography is relatively high. Thus, in the design of the cold cathode 23, a compromise between the distances mentioned, indicated by the arrows a, b, c and d, must be made. It is therefore of further advantage to produce the cathode 23 using a lithographic process, using defined gate, insulator and emitter areas in the micrometer range.
Fig. 5a zeigt eine Transmissionsstrahleranordnung mit einer modular zusammengesetzten Kaltkathode 24 bestehend aus mehreren Kaltkatho- denmodulen 25 und einer Anöde 32 in einem beliebig definierbaren Kreissegment zur erfindungsgemässen Verwendung in einer Röntgenröhre. Auf dem äusseren Teilkreisabschnitt mit dem äusseren Radius r1 sind, wie schematisch dargestellt, mehrere Kaltkathodenmodule 25 im wesentlichen mit gleichem 5 Abstand angeordnet. Die Kaltkathodenmodule 25 weisen auf ihrer Oberfläche feldüberhöhende Strukturen (nicht dargestellt) auf, die bei Raumtemperatur bereits Elektronen (e") in den vakuumisierten Innenraum 40 der Röntgenröhre abgeben. Alternativerweise können die Kaltkathodenmodule 25 gemäss die Ausführungsvariante in Fig. 4 bestückt sein. Die Elektronen (e") treffen5a shows a transmission radiator arrangement with a modular cold cathode 24 consisting of several cold cathodes. denmodulen 25 and an Andede 32 in an arbitrarily definable circle segment for use according to the invention in an X-ray tube. As schematically shown, a plurality of cold cathode modules 25 are arranged on the outer pitch circle section with the outer radius r1 essentially at the same distance. The cold cathode modules 25 have on their surface field-increasing structures (not shown), which at room temperature already release electrons (e " ) into the vacuumized interior 40 of the X-ray tube. Alternatively, the cold cathode modules 25 can be equipped according to the variant in FIG. 4. The electrons (e " ) meet
10 beschleunigt auf ein anodenseitiges Target 32 auf. Bekannterweise wird hierdurch Röntgenstrahlung (γ) vom Target 32, z.B. in den Bestrahlungsraum 90 emittiert. Das anodenseitige Target 32 ist ebenfalls auf einem Teilkreisabschnitt, jedoch bezüglich des Mittelpunktes MP mit kleinerem Radius r2 angeordnet. Die modular aufgebaute Kaltkathode 24 und das10 accelerates onto an anode-side target 32. As is known, this will cause x-ray radiation (γ) from target 32, e.g. emitted into the radiation room 90. The anode-side target 32 is also arranged on a pitch circle section, but with a smaller radius r2 with respect to the center point MP. The modular cold cathode 24 and that
15 anodenseitiges Target 32 bilden einen Kreisringabschnitt, wobei dieser neben den Radien r1 und r2 durch die seitliche Begrenzung und damit durch die strichliert gezeichneten Schenkel des Winkels α variabel definierbar ist. Bei einer Bemessung des Winkels α mit 360° entsteht eine Rundtransmissionsstrahleranordnung analog zur Fig. 3, wobei die entspre-15 anode-side target 32 form a circular ring section, which, besides the radii r1 and r2, can be variably defined by the lateral limitation and thus by the legs of the angle α drawn in broken lines. When the angle α is dimensioned at 360 °, an omnidirectional transmission radiator arrangement is produced analogously to FIG. 3, the corresponding
20 chende Anzahl von Kaltkathodenmodulen 25 auf dem äusseren Kreisring, ohne Abstand, anzuordnen ist. Prinzipiell kann nicht nur die Emissionsfläche der Kaltkathoden 24 modular zusammengesetzt werden, sondern es können auch mehrere Transmissionsstrahleranordnungen wie in Fig. 5a gezeigt, beispielsweise vier Teilkreissegmentanordnungen mit einem Winkel von α =20 chende number of cold cathode modules 25 on the outer ring, without spacing, is to be arranged. In principle, not only can the emission surface of the cold cathodes 24 be assembled modularly, but also several transmission radiator arrangements as shown in FIG. 5a, for example four partial circle segment arrangements with an angle of α =
25 90° bei gleichem ausserem Kaltkathodenradius r1 und innerem Aπodenradius r2 zu einer Rundtransmissioπsstrahleranordnung analog Fig. 3 zusammengesetzt werden. Grundsätzlich ist in der Anordnung von Kaltkathodenmodulen 25 und der Anode 32 gemäss Fig. 5a der Winkel von zwischen 0 und 360° defiπierbar und die Radien r1 bzw. r2 in jedem Fall25 90 ° with the same outer cold cathode radius r1 and inner aπode radius r2 to be assembled into a circular transmission radiator arrangement analogous to FIG. 3. In principle, the angle of between 0 and 360 ° can be defined in the arrangement of cold cathode modules 25 and the anode 32 according to FIG. 5a, and the radii r1 or r2 in any case
30 grösser als Null μm zu bemessen, wobei in einer Verwendung dieser Anordnung, z.B. analog zu Fig. 3 in einer Röntgenröhre mit einer Transmissionsstrahleranordnung, die Differenz des äusseren Kaltkathodenradius r1 zum inneren Targetradius r2 die Beschleunigungsstrecke der Elektronen e" und damit den beispielsweise zu vakuumisierendeπ30 larger than zero μm, whereby in a use of this arrangement, for example analogously to FIG. 3 in an X-ray tube with a transmission emitter arrangement, the difference between the outer cold cathode radius r1 and the inner target radius r2 is the acceleration distance of the electrons e " and thus the one to be vacuumized, for example
35 Innenraum 40 und der Radius r2 den Bestrahlungsraum, bestimmt. Auf der Oberfläche des anodenseitigen Targets 32 zum Bestrahlungsraum 90 hin ist mit weiterem Radius r3 (wobei r3 kleiner als r1 und r2 gewählt ist) schematisch eine Schicht mit Kühlmitteln KM angedeutet. Wie bereits erwähnt, ist es bei dem Aufbau eines Transmissionsstrahlers mit Kaltkathoden vorteilhaft, dass nur anodenseitig eine Kühlung notwendig ist. In Fig. 5b ist ebenfalls eine Transmissionsstrahleranordnung mit ei- ner modular zusammengesetzten Kaltkathode 24 dargestellt. Bei einer Bemessung der Radien r1 , r2 und r3 gegen unendlich und dem Winkel cc gegen 0°, was einen Spezialfall der Bemessung nach Fig. 5a darstellt, sind die modulare Kaltkathode 24 und das anodenseitige Target 32 mit Kühlmittelschicht KM, parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Mit dieser Anord- nung lassen sich Strahlervorrichtungen von mehreren Geräten (Röntgenröhren, Elektronenkaπonen) in Kombination realisieren. Beispielsweise können vier Strahler jeweils mit dem Winkel von 90° oder nur zwei Strahler mit hohem Krümmungsradius r bzw. einer Kombination aus den vorgenannten Strahleranordnungen zusammengestellt werden. Diese Strahleranordnungen können entweder gemäss der bereits in Fig. 3 beschriebenen Diodenkonfiguration, d.h. ohne Extraktionsgitter oder gemäss Fig. 4 in Triodenfiguratioπ, d.h. mit Extraktionsgitter aufgebaut sein. Werden die einzelnen Kaltkathodenmodule 24 mit vollflächig an ihrer Oberfläche aufgetragenen feldüberhöhendeπ Strukturen ohne Abstand zusammengesetzt, entsteht dabei ebenfalls eine im Wesentlichen vollflächige Emissionsfläche der zusammengesetzten Kaltkathodenmodule 25. Bei einem Zusammensetzen der Kaltkathodenmodule 25 mit beliebig definierbaren seitlichen, vorderen und hinteren Abschnitten, wie in Fig. 5a und 5b im Querschnitt perlenschnurartig angedeutet ist, entstehen netzartige Strukturen der Oberfläche der modularen Kaltkathoden 25, die beliebig definiert werden können, dabei hängt die Maschenstruktur von der Form der einzelnen verwendeten Kaltkathoden 25 bzw. zusammenstellbarer Kaltkathodenmodule 24 und deren Anordnung ab. Prinzipiell ist auch analog zur modularen Ausführung der Kaltkathode 24 ein modularer Aufbau des anodenseitigen Targets möglich, jedoch aus Kostengründen ist, wie in den Fig. 3, 5a, 5b gezeigt, die Anode einstückig ausgebildet, was z.B. bei der Verwendung in Röntgenröhren mit hohlzylindrischer Ausbildung von Kaltkathode und Anode bzw. im Elektronenstrahler mit im Wesentlichen planparalleler Anordnung von Kaltkathode und Anode herstellungstechnisch einfach realisierbar ist. Fig. 6a zeigt analog zur Fig. 5a eine Anordnung von einer modular aufgebauten Kaltkathode 24 und Anode, ebenfalls in einem beliebig definierbaren Teilkreissegment. Im Gegensatz zu Fig. 5a ist jedoch in Fig. 6a eine Rückstrahleranordπung aufgebaut, wobei für die modulare Kaltkathode 24 ein für Röntgenstrahlung (γ) transparentes Material verwendet wird und die einzelnen Kaltkathodenmodule 25 auf einen inneren Kreisring mit dem Radius r1 (zum Bestrahlungsraum 90 hin beispielsweise wie in einer Röntgenröhre gemäss Fig. 3 gezeigt) und auf einem äusseren Kreisriπg mit dem Radius r2 die Anode 32 mit Kühlschicht KM mit dem Radius r3 angeordnet ist. Somit ist der Radius r1 kleiner als der Radius r2 und dieser wiederum kleiner als der Radius r3 bemessen. Bei Verwendung einer derartigen Anordnung z.B. in einer Röntgenröhre werden von der modular aufgebauten Kaltkathode 24 Elektronen e" bei Raumtemperatur emittiert, die im vakuumisierten Innenraum 40 beschleunigt werden und auf das Target 32 treffen, wobei hierdurch wiederum Röntgenstrahlung (γ) vom anodenseitigen Target 32 in den Bestrahlungsraum 90 emittiert wird. Die Röntgenstrahlung (γ) gelangt durch das kaltkathodenseitig für Röntgenstrahlung (γ) transparente Kathodenmaterial in den Bestrahlungsraum 90, welcher bei dieser Anordnung von der Kaltkathode 24 umschlossen wird. Fig. 7 zeigt schematisch einen Elektronentransmissionsstrahler 12 mit modularer Kaltkathode 24, in einer Anordnung analog zu Fig. 5b, für die Verwendung des Elektronenstrahlers 12, in einer Elektronenkanone. Daher ist das anodenseitige Material durchlässig für Elektronenstrahlen ausgebildet, was in Fig. 7 angedeutet ist. Bei der Verwendung einer Elektronentransmissionsstrahleranordnung mit modular aufgebauter35 interior 40 and the radius r2 determines the irradiation area. On the surface of the anode-side target 32 towards the irradiation space 90, r3 (with r3 chosen smaller than r1 and r2) is schematic with a wider radius indicated a layer with coolant KM. As already mentioned, when constructing a transmission radiator with cold cathodes, it is advantageous that cooling is only necessary on the anode side. 5b also shows a transmission radiator arrangement with a modular cold cathode 24. When the radii r1, r2 and r3 are dimensioned towards infinity and the angle cc towards 0 °, which is a special case of the dimensioning according to FIG. 5a, the modular cold cathode 24 and the anode-side target 32 with coolant layer KM are parallel or essentially parallel arranged to each other. With this arrangement, emitter devices of several devices (X-ray tubes, electron cartridges) can be implemented in combination. For example, four emitters each with an angle of 90 ° or only two emitters with a high radius of curvature r or a combination of the aforementioned emitter arrangements can be put together. These radiator arrangements can be constructed either according to the diode configuration already described in FIG. 3, ie without an extraction grid, or according to FIG. 4 in a triode configuration, ie with an extraction grid. If the individual cold cathode modules 24 are put together without any space-increasing structures applied to their surface over their entire surface, this also results in an essentially full-surface emission surface of the assembled cold cathode modules 25. When the cold cathode modules 25 are assembled with any definable lateral, front and rear sections, as shown in FIG. 5a and 5b is indicated in cross section in the manner of pearl strings, network-like structures of the surface of the modular cold cathodes 25 arise, which can be defined as desired, the mesh structure depends on the shape of the individual cold cathodes 25 used or the cold cathode modules 24 that can be put together and their arrangement. In principle, a modular construction of the anode-side target is also possible analogous to the modular design of the cold cathode 24, but for cost reasons, as shown in FIGS. 3, 5a, 5b, the anode is formed in one piece, which is the case, for example, when used in X-ray tubes with a hollow cylindrical design of the cold cathode and anode or in the electron emitter with an essentially plane-parallel arrangement of the cold cathode and anode is easy to implement in terms of production technology. 6a shows, analogous to FIG. 5a, an arrangement of a modular cold cathode 24 and anode, likewise in an arbitrarily definable partial circle segment. In contrast to FIG. 5a, however, a rear reflector arrangement is constructed in FIG. 6a, a material which is transparent to X-ray radiation (γ) being used for the modular cold cathode 24 and the individual cold cathode modules 25 pointing to an inner circular ring with the radius r1 (towards the radiation chamber 90 For example, as shown in an X-ray tube according to FIG. 3) and the anode 32 with the cooling layer KM with the radius r3 is arranged on an outer circular ring with the radius r2. Thus the radius r1 is smaller than the radius r2 and this in turn is dimensioned smaller than the radius r3. When using such an arrangement, for example in an X-ray tube, the modular cold cathode 24 emits electrons e at room temperature, which are accelerated in the vacuum-sealed interior 40 and hit the target 32, thereby again causing X-ray radiation (γ) from the anode-side target 32 into the Irradiation room 90 is emitted. The X-ray radiation (γ) passes through the cathode material which is transparent to X-ray radiation (γ) on the cold cathode side into the irradiation room 90, which in this arrangement is enclosed by the cold cathode 24. Fig. 7 shows schematically an electron transmission radiator 12 with a modular cold cathode 24, in an arrangement analogous to Fig. 5b, for the use of the electron gun 12. In an electron gun, therefore, the anode-side material is permeable to electron beams, which is indicated in Fig. 7. When using an electron transmission lamp arrangement with a modular design auter
Kaltkathode 24 wird auf der Seite der Anode 33 entweder durch Luftkonvektion, Wasser oder sonstige spezielle Kühlung die Verlustwärme wegtransportiert. Um die Anode 33 für Elektronen (e") transparent auszubilden, ist insbesondere eine dünne Aπodenfolie mit Stützgitter zu verwenden. In Fig. 7 sind die Stützgitterstege 33a sichtbar. Bei Energien im Bereich von 80 - 300 kV beträgt die Dicke der Anodenfolie 33 typischerweise 3 - 200 μm. Die Kombination von der Anodenfolie 33 mit einem Stützgitter absorbiert einen Teil dereinfallenden Elektronen (e"), insbesondere das Stützgitter selbst. Unter der Voraussetzung, dass die Folie wie vorstehend beschrieben ausreichend dünn ist, und das Ver- hältnis von Gitterstegbreite zu Gitteröffnung des Stützgitters ausreichend klein ist, ist der Leistungsverlust relativ gering im Transmissionsfenster und beträgt durchschnittlich weniger als 30 % der einfallenden Leistung.Cold cathode 24 on the side of the anode 33, either by air convection, water or other special cooling, removes the lost heat. In order to make the anode 33 transparent to electrons (e " ), a thin anode foil with a supporting grid is to be used in particular. The supporting grid webs 33a are visible in Fig. 7. At energies in the range of 80-300 kV, the thickness of the anode film 33 is typically 3 - 200 μm. The combination of the anode foil 33 with a support grid absorbs a portion of the incident electrons (e " ), in particular the support grid itself. Provided that the film is sufficiently thin as described above and the ratio of the web width increases Grid opening of the support grid sufficiently small is, the power loss is relatively small in the transmission window and averages less than 30% of the incident power.
Prinzipiell können die oben genannten vorgeschlagenen Flächenstrahler und Rundstrahleranordnungen bzw. Transmissions- und Rückstrahleranordnungen als auch die herkömmliche Strahleranordnung in der Röntgenradiografie mit einer modular zusammengesetzten Kaltkathode und einer entsprechend angeordneten Anode aufgebaut werden. Zum Aufbringen der feldüberhöhenden Strukturen auf die Oberfläche der Kaltkathode, welche die Emissionsfläche für die Elektronen im Wesentlich darstellt, eignen sich alle weiter oben genannten Verfahren. Das modulare Zusammensetzen einzelner Kaltkathodenelemente als auch von aus diesen aufgebauten Strahlersegmenten, eignet sich insbesondere für die grossflächige Ausbildung von ebenen und gekrümmten Emissionsflächen bzw. Bestrahluπgsflächen. Hierdurch ist der Aufbau von jedweden gewünschten Geometrien des Bestrahlungsraumes als auch der Anordnung eines Strahlers um jedwede Geometrie eines Bestrahlungsobjektes möglich, besonders grossflächig und definierbar können in der Fläche bzw. im Raum Hochdosisstrahler angeordnet werden. An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass es vier grundsätzliche Anordnungen im Aufbau des Strahlers geben kann: 1. Kathode innen, Anode aussen, Strahlung nach innen (Rückstrahler)In principle, the above-mentioned proposed surface radiators and omnidirectional radiator arrangements or transmission and retroreflector arrangements as well as the conventional radiator arrangement in X-ray radiography can be constructed with a modular cold cathode and a correspondingly arranged anode. All of the methods mentioned above are suitable for applying the field-increasing structures to the surface of the cold cathode, which essentially represents the emission surface for the electrons. The modular assembly of individual cold cathode elements and of radiator segments constructed from them is particularly suitable for the large-scale formation of flat and curved emission surfaces or irradiation surfaces. This makes it possible to build up any desired geometries of the irradiation room and to arrange a radiator around any geometry of an irradiation object; high-dose radiators can be arranged in a large area and in a definable manner in the surface or in the room. At this point it should be noted that there can be four basic arrangements in the structure of the radiator: 1. Cathode inside, anode outside, radiation inside (reflector)
2. Kathode aussen, Anode innen, Strahlung nach innen (Transmissionsstrahler)2. Cathode outside, anode inside, radiation inside (transmission radiator)
3. Kathode innen, Anode aussen, Strahlung nach aussen Transmissionsstrahler)3. cathode inside, anode outside, radiation outside transmission radiator)
4. Kathode aussen, Anode innen, Strahlung nach aussen (Rückstrahler).4. Cathode outside, anode inside, radiation outside (reflector).
Während alle Anordnungen für Röntgenstrahier möglich sind, kommen für Elektroneπkanoneπ nur die Anordnungen als Transmissionsstrahler in Frage, in der immer eine transparente Anode den Durchgang der Elektronen aus dem Vakuumraum ermöglicht. Die Vorteile der Erfindung seien nachfolgend zusammengefasst: neben einer hohen Dosisleistung kann die Kaltkathode insbesondere bei vollflächigem Auftrag der feldüberhöhenden Strukturen wirtschaftlich hergestellt werden, die Kaltkathode weist insbesondere geringe thermische Verluste auf und erfordert aufgrund ihrer Emission bei Raumtemperatur keine zusätzliche Kühlung, durch Verwendung entweder von für Röntgenstrahlen transparentem Kathodenmaterial oder nicht für Röntgenstrahlen transparentem Kathodenmaterial ist die Ausbildung eines Rückstrahlers- oder eines Transmissioπstrahlers möglich. Die Kombination der Verwendung von feldüberhöhenden Strukturen für eine Kaltkathode und eine definierte Kaltkathodengeometrie mittels spezifisch im Schichtaufbau feldüberhöhender Strukturen auf einer Trägerschicht, dem definierten Ausbilden weiterer Funktioπsschichten und insbesondere die definierte Geometrie der Kontaktflächen zwischen Trägerschicht und (e")-emittierender Schicht ermöglichen den Aufbau insbesondere einer grossflächigen bzw. modularen zusammensetzbaren Kaltkathode und bei entsprechender Ausbildung der Anode einen grossen Bestrahlungsraum frei definierbarer Form. Ebenfall ist die partielle Bestrahlung am Objekt, z.B. durch definierte Anordnung einzelner Kaltkathodenmodule, möglich. Die oben aufgeführten Vorteile gelten für einen Röntgenstrahier wie für eine Elektronenkanone. Im ersten Fall ist die Anode so ausgelegt, dass alle auftreffenden Elektronen absorbiert und zur Erzeugung von Röntgenstrahlen genutzt werden. Im zweiten Fall ist die Anode so ausgelegt, dass die Elektronen die Anode im Wesentlichen durchdringen und direkt zur Bestrahlung verwendet werden können. While all arrangements for X-ray emitters are possible, only arrangements as transmission emitters are possible for electron guns, in which a transparent anode always allows the passage of the electrons from the vacuum space. The advantages of the invention are summarized below: in addition to a high dose rate, the cold cathode can be produced economically, in particular when the field-increasing structures are applied over the entire area, the cold cathode has in particular low thermal losses and requires no additional cooling due to its emission at room temperature, by using either for X-rays transparent cathode material or cathode material not transparent to X-rays is possible to form a retroreflector or a transmission radiator. The combination of the use of field-overlapping structures for a cold cathode and a defined cold cathode geometry by means of structures overlapping the field in a layer structure on a carrier layer, the defined formation of further functional layers and in particular the defined geometry of the contact areas between the carrier layer and (e " ) -emitting layer enable the structure in particular a large-area or modular, assembled cold cathode and, with the appropriate design of the anode, a large irradiation area of freely definable shape. Partial irradiation on the object is also possible, for example through the defined arrangement of individual cold cathode modules. The advantages listed above apply to both an X-ray source and an electron gun. In the first case, the anode is designed so that all incident electrons are absorbed and used to generate X-rays, and in the second case, the anode is made out specifies that the electrons essentially penetrate the anode and can be used directly for irradiation.

Claims

Patentansprüche claims
1. Röntgenröhre (11) mit einer Kathode, die in einen vakuumisierten Innenraum (40) Elektronen (e-) emittiert, und einem als Anode ausgebildetem Target (31 , 32) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (y) hoher Dosis, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mindestens eine Kaltkathode (21, 22, 23), basierend auf einem Elektronen (e-)-emittierenden Material mit feldüberhöhender Struktur (70), umfasst.1. X-ray tube (11) with a cathode, which emits electrons (e-) into a vacuumized interior (40), and a target (31, 32) designed as an anode for generating X-ray radiation (y) high dose, characterized in that the cathode comprises at least one cold cathode (21, 22, 23) based on an electron (e -) emitting material with a field-increasing structure (70).
2. Röntgenröhre (11 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23) mindestens eine Trägerschicht (201 ) zum2. X-ray tube (11) according to claim 1, characterized in that the cold cathode (21, 22, 23) at least one carrier layer (201) for
Halten des Elektronen (e-)-emittierenden Materials umfasst, wobei die Emissionsfläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) im Wesentlichen durch die Form der Trägerschicht (201) definiert ist.Holding the electron (e -) - emitting material comprises, wherein the emission surface of the cold cathode (21, 22, 23) is essentially defined by the shape of the carrier layer (201).
3. Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie und Raumanordnung der Kaltkathode (21 , 22,3. X-ray tube (11) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the geometry and spatial arrangement of the cold cathode (21, 22,
23) und/oder der Emissionsfläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) durch die Formgebung der Trägerschicht bestimmt ist.23) and / or the emission surface of the cold cathode (21, 22, 23) is determined by the shape of the carrier layer.
4. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) zur Schichttiefe gross ist.4. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of the area of the cold cathode (21, 22, 23) to the layer depth is large.
5. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Flächenausdehπuπg und/oder Raumanordnung der Kaltkathode (21, 22, 23) und/oder der Anode (31, 32) Form und Grosse des Bestrahlungsraumes (90) der Röntgenröhre (11) bestimmt ist.5. X-ray tube (11) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the shape and size of the radiation chamber (), by the surface expansion and / or spatial arrangement of the cold cathode (21, 22, 23) and / or the anode (31, 32) 90) of the X-ray tube (11) is determined.
6. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) Kohlenstoff- Nanotubes (71) umfassen. 6. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the field-increasing structures (70) comprise carbon nanotubes (71).
7. Röntgenröhre (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) korallenartigen Kohlenstoff umfassen.7. X-ray tube (11) according to claim 6, characterized in that the field-increasing structures (70) comprise coral-like carbon.
8. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die felduberhohenden Strukturen (70) Metallspitzen8. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the field-enhancing structures (70) have metal tips
(70a) umfassen.(70a).
9. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) Silicium-Spitzen umfassen. 9. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the field-increasing structures (70) comprise silicon tips.
10. Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) Diamaπtspitzen und/oder Diamantpulver und/oder diamantähnliche Kohlenstoff-Matrizen von sp2 und sp3 gebundenem Kohlenstoff umfassen. 10. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the field-increasing structures (70) comprise diamond tips and / or diamond powder and / or diamond-like carbon matrices of sp 2 and sp 3 bound carbon.
11. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht eine Matrix mit eingebetteten11. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the carrier layer is a matrix with embedded
Kohlenstoff-Nanotubes und/oder korallenartigem Kohlenstoff umfasst. Includes carbon nanotubes and / or coral-like carbon.
12. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (201) der Kaltkathode (21 , 22, 23) mindestens ein Substrat mit keramischem Werkstoff umfasst. 12. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first carrier layer (201) of the cold cathode (21, 22, 23) comprises at least one substrate with ceramic material.
13. Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (201) mindestenes eine Widerstandsschicht (203) und/oder Leiterbahnschicht (202) umfasst.13. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the carrier layer (201) comprises at least one resistance layer (203) and / or interconnect layer (202).
14. Röntgenröhre (11 ) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (202) eine aufgedampfte Kupferschicht umfasst. 14. X-ray tube (11) according to claim 13, characterized in that the conductor track layer (202) comprises a vapor-deposited copper layer.
15. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektronen (e-)-emittierende Schicht der Trägerschicht und wenigstens eine Widerstandsschicht (203) in Reihe geschaltet sind. 15. X-ray tube (11) according to one of claims 13 to 14, characterized in that at least one electron (e -) - emitting layer of the carrier layer and at least one resistance layer (203) are connected in series.
16. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitts-Geometrie der Kaltkathode (21 , 22, 23) und/oder Anode als Vollkreis, Kreissegment, Kreisring, Dreieck, Viereck, Vieleck oder beliebig definierbarer Polygonzug ausgebildet ist.16. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the cross-sectional geometry of the cold cathode (21, 22, 23) and / or anode as a full circle, segment of a circle, annulus, triangle, square, polygon or any definable Polygon is formed.
17.* Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronen (e-)-emittierende Material auf der Trägerschicht mit definiertem Abstand nebeneinander und/oder hintereinander und/oder benachbart angeordnet ist. 17. * X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 16, characterized in that the electron (e -) - emitting material is arranged on the carrier layer at a defined distance next to one another and / or one behind the other and / or adjacent.
18. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) für Röntgenstrahlung (y) transparent oder im Wesentlichen transparent ausgebildet ist. 18. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 17, characterized in that the cold cathode (21, 22, 23, 24) for X-ray radiation (y) is transparent or substantially transparent.
19. Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) den vakuumisierten Innenraum (40) oder den Bestrahlungsraum (90) nach aussen abschliesst.19. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 18, characterized in that the cold cathode (21, 22, 23, 24) closes the vacuum-sealed interior (40) or the radiation chamber (90) to the outside.
20. Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kaltkathode (23) und Anode (31 , 32) wenigstens ein Extraktionsgitter (80) angeordnet ist.20. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 19, characterized in that at least one extraction grid (80) is arranged between the cold cathode (23) and the anode (31, 32).
21. Röntgenröhre (11) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kaltkathode (23) und Extraktionsgitter (80) ein elektrischer Isolator (60) angeordnet ist.21. X-ray tube (11) according to claim 19, characterized in that an electrical insulator (60) is arranged between the cold cathode (23) and the extraction grid (80).
22. Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (31, 32) mindestens eine Kühl mittelschicht (KM) aufweist, wobei die Kühlmittelschicht (KM) ein flüssiges Kühlmittel (KM), und/oder ein gasförmiges Kühlmittel (KM) umfasst. 22. X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 21, characterized in that the anode (31, 32) has at least one coolant layer (KM), the coolant layer (KM) being a liquid coolant (KM), and / or includes a gaseous coolant (KM).
23. Verfahren zur Sterilisation und/oder zum Bestrahlen von Nahrungsmitteln und/oder Medikamenten, und/oder Blutplasma und/oder Verpackungsmaterialien und/oder Instrumenten und/oder Abtöten von Bakterien, Käfern, Ungeziefer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 verwendet wird. 23. A method for sterilizing and / or irradiating food and / or medication, and / or blood plasma and / or packaging materials and / or instruments and / or killing bacteria, beetles, vermin, characterized in that an X-ray tube (11) according to one of claims 1 to 22 is used.
24. Elektronenkanone mit einer Elektronenstrahl eranordnung, die eine Elektronen (e-)-emittiereπde Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) und eine Anode (33) aufweist, wobei ein hochdosierter Elektronenstrahl erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 1 bis 22 umfasst. 24. Electron gun with an electron beam arrangement which has an electron (e -) emitting cold cathode (21, 22, 23, 24) and an anode (33), a high-dose electron beam being generated, characterized in that the cold cathode is the characteristic one Features at least one of claims 1 to 22.
25. Elektronenkanone nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (33) für die Elektronen (e-) durchlässig ausgebildet ist. 25. Electron gun according to claim 24, characterized in that the anode (33) is designed to be permeable to the electrons (e-).
26. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (33) eine sehr dünne Folie mit einer Dicke zwischen 6 bis 200 μm mit einem Stützgitter umfasst. 26. Electron gun according to one of claims 24 or 25, characterized in that the anode (33) comprises a very thin film with a thickness between 6 to 200 microns with a support grid.
27. Elektronenkaπone nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Anode (33) durch Luftkonvektion, durch Wärmeleitung und/oder durch ein flüsiges Kühlmedium erfolgt. 27. Electron cartridge according to one of claims 24 to 26, characterized in that the anode (33) is cooled by air convection, by thermal conduction and / or by a liquid cooling medium.
28. Verfahren zur Bestrahlung und/oder Trocknung von Tinte oder Polymer-Crossling von Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass eine28. Process for the irradiation and / or drying of ink or polymer crossling of plastics, characterized in that a
Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 24 bis 27 verwendet wird. Electron gun according to one of claims 24 to 27 is used.
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