EP3518266A1 - Thermionische emissionsvorrichtung - Google Patents

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EP3518266A1
EP3518266A1 EP18154147.5A EP18154147A EP3518266A1 EP 3518266 A1 EP3518266 A1 EP 3518266A1 EP 18154147 A EP18154147 A EP 18154147A EP 3518266 A1 EP3518266 A1 EP 3518266A1
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EP
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emission surface
main
emitter
heating
emission device
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Jörg FREUDENBERGER
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Siemens Healthcare GmbH
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Siemens Healthcare GmbH
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    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
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    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/06—Cathode assembly
    • H01J2235/068—Multi-cathode assembly

Definitions

  • the invention relates to a thermionic emission device.
  • Such a thermionic emission device is for example from the DE 10 2009 005 454 B4 known and effective in an X-ray tube as a cathode.
  • the known thermionic emission device comprises an indirectly heated main emitter, which is designed as a flat emitter with an unstructured main emission surface, and with a heating emitter, which is designed as a flat emitter with a structured heating emission surface.
  • An unstructured emission surface is understood to mean a flat, substantially homogeneous emission surface without slits or similar interruptions.
  • An emission surface, which is interrupted for example by slots or has a meander-shaped conductor track, is referred to as structured.
  • the main emitter and the heater emitter each have at least two terminal lugs, said heater is nested in a manner possible in the main emitter.
  • the main emission surface and the heating emission surface are aligned substantially parallel and centric to one another.
  • the terminal lugs of the main emitter are oriented substantially perpendicular to the main emission surface and do not project beyond the main emission surface in the lateral direction.
  • the quality of the focal spot is achieved with structurally simple means and avoided even at high thermal loads undesirable widening or defocusing of the electron beam.
  • the electron beam generated in the thermionic emission device impinges on a rotary anode in a focal spot. Due to the focal spot profile of the electron beam, a surface temperature of up to 2,400 ° C is generated on the focal track. This surface temperature of the focal track can not be increased without undesirable shortening of the life of the rotary anode, so that only a very small increase in power over a very short period of time and a subsequent cooling phase can be realized.
  • the WO 2013/080074 A1 describes the use of carbon nanotubes (carbon nanotubes) as emitters in X-ray tubes.
  • An asymmetric emission of electrons is eg from the US 7,835,501 B2 known.
  • an electron beam emerging from the cathode is modulated by a focal spot modulation unit such that an asymmetrical intensity distribution of the electron beam is adjustable.
  • Object of the present invention is to provide a thermionic emission device for an X-ray tube, which ensures a longer life of the X-ray tube with the same image quality.
  • the thermionic emission device of claim 1 comprises a flat emitter having a main emission surface switchable to a main potential and a switchable field effect electron emitter having a heating emission surface switchable to a heating potential different from the main potential.
  • the main emission surface of the flat emitter is heated by electrons emitted from the heating emission surface of the field effect electron emitter.
  • the field effect electron emitter thus forms an indirect heater for the flat emitter.
  • the heating potential causing the emission of the electrons from the heating emission surface is different from the main potential resulting in the thermal emission of the electrons from the main emission surface of the flat emitter.
  • the field-effect electron emitters can be designed, for example, as CNT-based field emitters (CNT, carbon nanotubes, carbon nanotubes) or as Si-based field emitters (Si, silicon).
  • CNT CNT-based field emitters
  • Si Si-based field emitters
  • nanocrystalline diamond is according to the DE 197 27 606 A1 suitable for the production of cold cathodes.
  • the main emission surface and the heating emission surface are structured (claim 2).
  • This structuring can be realized in the case of a flat emitter with a rectangular surface, for example by means of slots on the main emission surface.
  • this structuring is e.g. can be realized by a corresponding segmentation of the field effect emitter material. By such structuring, a defined focal spot is easily obtained.
  • the heating emission surface to the main emission surface has a predeterminable distance (claim 3).
  • the predeterminable distance between the heating emission surface and the main emission surface is, for example, between approximately 0.5 mm and 5 mm.
  • CNT-based field emitters Si-based field emitters (Si, silicon) can also be used.
  • Si Si-based field emitters
  • the main emission surface of the thermionic emission device can advantageously be heated by the heating emission surface in a predeterminable range (claim 4).
  • the heating emission surface of the thermionic emission device for this purpose comprises a predeterminable number of individually controllable field effect emitter segments (claim 5).
  • the thermionic emission device according to the invention or its advantageous embodiments are suitable for installation in a focus head (claim 6).
  • the radiation exposure is reduced accordingly and the recording times are shortened in the imaging.
  • the illustrated thermionic emission device comprises a flat emitter 1 with a main emission surface 11 and field effect electron emitter 2 with a heating emission surface 21.
  • the flat emitter 1 can be switched to a main potential U 1 and the field effect electron emitter 2 can be switched to a heating potential U 2 , which is different from the main potential U 1 .
  • the heating emission surface 21 of the field effect electron emitter 2 comprises a predeterminable number of segments 22, which are applied to a substrate 23 by a metallization, for example.
  • the structuring of the heating emission surface 21 is achieved in the embodiment shown by the individually controllable field effect emitter segments 22.
  • the main emission surface 11 and the Bankemissions Structure 21 are structured.
  • the heating emission surface 21 has a predeterminable distance 3 from the main emission surface 11.
  • at least one spacer 4 is arranged in the edge region of the substrate 23, by means of which the distance 3 between the heating emission surface 21 and the main emission surface 11 is ensured.
  • a U-shaped spacer 4 is provided, which is arranged on three sides and has a contact 41 for the flat emitter 1.
  • a longitudinal side of the substrate 23 is not covered by the spacer 4 in order to be able to electrically contact the field-effect emitter segments 22 arranged on the substrate 23.
  • the main emission surface 11 can be heated in a predefined area in a defined manner.
  • FIG. 1 illustrated embodiment is not only the heating emission surface 21 of the field effect electron emitter 2, but also the main emission surface 11 of the flat emitter 1.
  • the main emission surface 11 is in the 3 and 4 each shown an embodiment.
  • the main emission surface 11 has a planar structure 12 with a one-piece frame 13. Within the frame 13, a structure 12 is arranged, by which the main emission surface 11 is divided into segments 14a to 14f. In this way, a freely selectable number of segments 14a to 14f can be heated in a defined manner by the heat emission surface 21 (shown in dashed lines) of the field effect electron emitter 2, whereby the emission of thermal electrons from the main emission surface 11 is purposefully improved.
  • the main emission surface 11 according to FIG. 4 also has a planar structure 15 which consists of elastic elements 16.
  • the elastic elements 16 are arranged in a two-part frame 17, wherein the larger proportion of the elastic elements 16 over the Schuemissions Solution 21 (shown in dashed lines) of the field effect electron emitter 2 is arranged and the smaller proportion of the elastic elements 16 for mechanical temperature compensation.
  • the field effect emitter segments 22 of the field effect electron emitter 2 By applying voltages to the field effect emitter segments 22 of the field effect electron emitter 2, an electric field builds up between the flat emitter 1 (which is at a uniform potential) and the field effect emitter segments 22 of the field effect electron emitter 2. As a result, the power registered in the field effect electron emitter 2 can be regulated individually for each field effect emitter segment 22. As a result, the emission distribution of the flat emitter 1 can be controlled in a simple manner. This allows e.g. an asymmetrical focal spot distribution or an emission distribution optimization, which improves the modulation transfer functions (MTF) and thus the image quality.
  • MTF modulation transfer functions

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung, umfassend
- einen Flachemitter (1) mit einer Hauptemissionsfläche (11), der an ein Hauptpotential (U1) schaltbar ist, und
- einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter (2) mit einer Heizemissionsfläche (21), die an ein Heizpotential (U2) schaltbar ist, das unterschiedlich zum Hauptpotential (U1) ist.
Eine derartige thermionische Emissionsvorrichtung besitzt eine längere Lebensdauer bei gleichbleibender Bildqualität.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung.
  • Eine derartige thermionische Emissionsvorrichtung ist z.B. aus der DE 10 2009 005 454 B4 bekannt und in einer Röntgenröhre als Kathode wirksam. Die bekannte thermionische Emissionsvorrichtung umfasst einen indirekt beheizten Hauptemitter, der als Flachemitter mit einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche ausgebildet ist, und mit einem Heizemitter, der als Flachemitter mit einer strukturierten Heizemissionsfläche ausgebildet ist.
  • Unter einer unstrukturierten Emissionsfläche wird eine flache, im Wesentlichen homogene Emissionsfläche ohne Schlitze oder ähnliche Unterbrechungen verstanden. Eine Emissionsfläche, die beispielsweise durch Schlitze unterbrochen ist oder eine mäanderförmige Leiterbahn aufweist, wird als strukturiert bezeichnet.
  • Bei der aus der DE 10 2009 005 454 B4 bekannten thermionischen Emissionsvorrichtung weisen der Hauptemitter und der Heizemitter jeweils mindestens zwei Anschlussfahnen auf, wobei der Heizemitter gewissermaßen in den Hauptemitter geschachtelt ist. Die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche sind im Wesentlichen parallel und zentrisch zueinander ausgerichtet. Die Anschlussfahnen des Hauptemitters sind im Wesentlichen senkrecht zur Hauptemissionsfläche ausgerichtet und stehen in lateraler Richtung nicht über die Hauptemissionsfläche heraus. Bei der bekannten thermionischen Emissionsvorrichtung wird mit konstruktiv einfach gehaltenen Mitteln eine möglichst hohe Qualität des Brennflecks erreicht und auch bei hohen thermischen Belastungen eine unerwünschte Aufweitung oder Defokussierung des Elektronenstrahls vermieden.
  • Der in der thermionische Emissionsvorrichtung erzeugte Elektronenstrahl trifft in einem Brennfleck auf eine Drehanode auf. Aufgrund des Brennfleckprofils des Elektronenstrahls entsteht auf der Brennbahn eine Oberflächentemperatur von bis zu 2.400 °C. Diese Oberflächentemperatur der Brennbahn kann ohne unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer der Drehanode nicht erhöht werden, so dass allenfalls nur eine sehr geringe Leistungserhöhung über einen sehr kurzen Zeitraum und einer anschließenden Abkühlphase realisierbar ist.
  • Weitere indirekte Heizungen für thermionische Emitter sind in der EP 0 349 387 B1 und der US 8,000,449 B2 offenbart.
  • In der US 7,903,788 B2 und der DE 10 2006 018 633 B4 sind jeweils strukturierte Flachemitter beschrieben.
  • Aus der US 7,795,792 B2 ist es bekannt, Emittermaterialien durch ein Karburieren (Aufkohlen) in den Emissionseigenschaften zu verändern.
  • Die WO 2013/080074 A1 beschreibt den Einsatz von Carbon Nanotubes (Kohlenstoffnanoröhrchen) als Emitter in Röntgenröhren.
  • Weiterhin ist aus der US 6,556,656 B2 bekannt, Elektroden unter dem eigentlichen Elektronenemitter anzuordnen, um eine Homogenisierung des elektrischen Feldes am Ort des Elektronenemitters zu erhalten.
  • Eine asymmetrische Emission von Elektronen ist z.B. aus der US 7,835,501 B2 bekannt. Hierbei wird ein aus der Kathode austretender Elektronenstrahl durch eine Brennfleck-Modulationseinheit derart moduliert, dass eine asymmetrische Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls einstellbar ist.
  • In der DE 195 13 290 C1 sowie der korrespondierenden US 5,703,924 A ist eine als Flachemitter ausgebildete Glühkathode beschrieben, die aus einem Grundkörper aus Wolfram besteht und eine Beschichtung aus einem Dispenser-KathodenMaterial, z.B. Lanthanhexaborid (LaB6), besteht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermionische Emissionsvorrichtung für eine Röntgenröhre zu schaffen, die bei gleichbleibender Bildqualität eine längere Lebensdauer der Röntgenröhre gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermionische Emissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
  • Die thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst einen Flachemitter mit einer Hauptemissionsfläche, der an ein Hauptpotential schaltbar ist, sowie einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter mit einer Heizemissionsfläche, die an ein Heizpotential schaltbar ist, das unterschiedlich zum Hauptpotential ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Emissionsvorrichtung wird die Hauptemissionsfläche des Flachemitters durch Elektronen aufgeheizt, die von der Heizemissionsfläche des Feldeffekt-Elektronenemitters emittiert werden. Der Feldeffekt-Elektronenemitter bildet somit eine indirekte Heizung für den Flachemitter.
  • Dadurch, dass bei dem Feldeffekt-Elektronenemitter eine kalte Emission der Elektronen erfolgt, ist das Heizpotential das die Emission der Elektronen aus der Heizemissionsfläche bewirkt, unterschiedlich zum Hauptpotential, das zu der thermischen Emission der Elektronen aus der Hauptemissionsfläche des Flachemitters führt.
  • Aufgrund der kalten Elektronenemission ist im Stand-by-Betrieb deshalb auch keine thermische Heizung des Elektronenemitters erforderlich, wodurch sich eine längere Lebensdauer für die thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 ergibt.
  • Im Rahmen der Erfindung können die Feldeffekt-Elektronenemitter beispielsweise als CNT-basierte Feldemittern (CNT, Carbon Nano Tubes, Kohlenstoff-Nanoröhren) oder als Si-basierte Feldemitter (Si, Silizium) ausgeführt sein. Auch nanokristalliner Diamant ist gemäß der DE 197 27 606 A1 für die Herstellung von Kaltkathoden geeignet.
  • Vorzugsweise sind die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche strukturiert (Anspruch 2). Diese Strukturierung ist bei einem Flachemitter mit rechteckiger Oberfläche beispielsweise durch Schlitze auf der Hauptemissionsfläche realisierbar Auf der Heizemissionsfläche ist diese Strukturierung z.B. durch eine entsprechende Segmentierung des Feldeffektemittermaterials realisierbar. Durch eine derartige Strukturierung erhält man auf einfache Weise einen definierten Brennfleck.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der thermionischen Emissionsvorrichtung weist die Heizemissionsfläche zu der Hauptemissionsfläche einen vorgebbaren Abstand auf (Anspruch 3). Bei CNT-basierten Feldemittern (CNT, Carbon Nano Tubes, Kohlenstoff-Nanoröhren) liegt der vorgebbare Abstand zwischen Heizemissionsfläche und Hauptemissionsfläche beispielsweise zwischen ca. 0,5 mm und 5 mm. Anstelle von CNT-basierten Feldemittern sind auch Si-basierte Feldemitter (Si, Silizium) einsetzbar. Auch die Verwendung von wenigstens zwei verschiedenen Feldemissions-Materialien ist Rahmen der Erfindung möglich.
  • Die Hauptemissionsfläche der thermionischen Emissionsvorrichtung ist in vorteilhafter Weise durch die Heizemissionsfläche in einem vorgebbaren Bereich aufheizbar (Anspruch 4). Die Heizemissionsfläche der thermionischen Emissionsvorrichtung umfasst hierzu eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren Feldeffekt-Emittersegmenten (Anspruch 5).
  • Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung bzw. deren vorteilhafte Ausgestaltungen (Ansprüche 2 bis 5) sind für den Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 6).
  • Mit der thermionischen Emissionsvorrichtung (Ansprüche 1 bis 5) bzw. mit einem damit ausgestatteten Fokuskopf (Anspruch 6) ist auf einfache Weise eine Röntgenröhre mit einer deutlich verbesserten Dosismodulation herstellbar (Ansprüche 7 bis 9).
  • Durch die kurzen Abkühlzeiten beim Abschalten des Heizemitters sowie die deutlich kürzeren Abkühlzeiten des Hauptemitters bei abgeschaltetem Heizemitter, werden die Strahlenbelastungen entsprechend reduziert und die Aufnahmezeiten bei der Bildgebung verkürzt.
  • Die vorstehend beschriebenen Röntgenröhren (Ansprüche 7 und 8) können ohne Modifikationen in das Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden (Anspruch 9).
  • Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
    • FIG 1
    einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung,
    FIG 2
    eine perspektivische Ansicht der thermionischen Emissionsvorrichtung entlang der Linie II-II in FIG 1,
    FIG 3
    ein erstes Ausführungsbeispiel für eine strukturierte Hauptemissionsfläche eines Flachemitters in Draufsicht und
    FIG 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel für eine strukturierte Hauptemissionsfläche eines Flachemitters in perspektivischer Ansicht.
  • Die in FIG 1 dargestellte thermionische Emissionsvorrichtung umfasst einen Flachemitter 1 mit einer Hauptemissionsfläche 11 und Feldeffekt-Elektronenemitter 2 mit einer Heizemissionsfläche 21.
  • Der Flachemitter 1 ist an ein Hauptpotential U1 schaltbar und der Feldeffekt-Elektronenemitter 2 ist an ein Heizpotential U2 schaltbar, das unterschiedlich zum Hauptpotential U1 ist.
  • Der Heizemissionsfläche 21 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 umfasst eine vorgebbare Anzahl von Segmenten 22, die beispielsweises durch eine Metallisierung auf einem Substrat 23 aufgebracht sind. Die Strukturierung der Heizemissionsfläche 21 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die einzeln ansteuerbaren Feldeffekt-Emittersegmente 22 erreicht.
  • Bei dem in FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hauptemissionsfläche 11 und die Heizemissionsfläche 21 strukturiert.
  • Die Heizemissionsfläche 21 weist zu der Hauptemissionsfläche 11 einen vorgebbaren Abstand 3 auf. Hierzu ist im Randbereich des Substrats 23 wenigstens ein Abstandshalter 4 angeordnet, durch den der Abstand 3 zwischen Heizemissionsfläche 21 und Hauptemissionsfläche 11 sichergestellt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist gemäß FIG 2 ein U-förmiger Abstandshalter 4 vorgesehen, der auf drei Seiten angeordnet ist und eine Kontaktierung 41 für den Flachemitter 1 aufweist. Eine Längsseite des Substrats 23 ist nicht durch den Abstandshalter 4 belegt, um die auf dem Substrat 23 angeordneten Feldeffekt-Emittersegmente 22 elektrisch kontaktieren zu können.
  • Aufgrund der Strukturierung der Heizemissionsfläche 21 ist die Hauptemissionsfläche 11 in einem vorgebbaren Flächenbereich definiert aufheizbar.
  • Bei dem in FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nicht nur die Heizemissionsfläche 21 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 strukturiert, sondern auch die Hauptemissionsfläche 11 des Flachemitters 1. Für die Strukturierung der Hauptemissionsfläche 11 ist in den FIG 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel gezeigt.
  • Die Hauptemissionsfläche 11 gemäß FIG 3 weist eine plane Struktur 12 mit einem einteilig ausgebildeten Rahmen 13 auf. Innerhalb des Rahmens 13 ist eine Struktur 12 angeordnet, durch die die Hauptemissionsfläche 11 in Segmente 14a bis 14f unterteilt ist. Damit kann eine frei wählbare Anzahl von Segmenten 14a bis 14f durch die Heizemissionsfläche 21 (gestrichelt dargestellt) des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 definiert aufgeheizt werden, wodurch die Emission von thermischen Elektronen aus der Hauptemissionsfläche 11 gezielt verbessert wird.
  • Die Hauptemissionsfläche 11 gemäß FIG 4 besitzt ebenfalls eine plane Struktur 15, die aus elastischen Elementen 16 besteht. Die elastischen Elemente 16 sind in einem zweigeteilten Rahmen 17 angeordnet, wobei der größere Anteil der elastischen Elemente 16 über der Heizemissionsfläche 21 (gestrichelt dargestellt) des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 angeordnet ist und der kleinere Anteil der elastischen Elemente 16 zum mechanischen Temperaturausgleich dient.
  • Durch das Anlegen von Spannungen an die Feldeffekt-Emittersegmente 22 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 baut sich ein elektrisches Feld zwischen dem (auf einem einheitlichen Potential liegenden) Flachemitter 1 und den Feldeffekt-Emittersegmenten 22 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 auf. Dadurch kann die in die in den Feldeffekt-Elektronenemitter 2 eingetragene Leistung für jedes Feldeffekt-Emittersegment 22 einzeln geregelt werden. Dies führt dazu, dass die Emissionsverteilung des Flachemitters 1 auf einfache Weise steuerbar ist. Dies erlaubt z.B. eine asymmetrische Brennfleckverteilung oder eine Optimierung der Emissionsverteilung, wodurch die Modulationstransferfunktionen (MTF) und damit die Bildqualität verbessert werden.

Claims (9)

  1. Thermionische Emissionsvorrichtung, umfassend
    - einen Flachemitter (1) mit einer Hauptemissionsfläche (11), der an ein Hauptpotential (U1) schaltbar ist, und
    - einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter (2) mit einer Heizemissionsfläche (21), die an ein Heizpotential (U2) schaltbar ist, das unterschiedlich zum Hauptpotential (U1) ist.
  2. Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hauptemissionsfläche (11) und die Heizemissionsfläche (21) strukturiert sind.
  3. Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizemissionsfläche (21) zu der Hauptemissionsfläche (11) einen vorgebbaren Abstand (3) aufweist,
  4. Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hauptemissionsfläche (11) durch die Heizemissionsfläche (21) in einem vorgebbaren Bereich aufheizbar ist.
  5. Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 2,wobei die Heizemissionsfläche (21) eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren Feldeffekt-Emittersegmenten (22) umfasst.
  6. Fokuskopf mit einer thermionischen Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Röntgenröhre, die eine Anode und eine thermionische Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
  8. Röntgenröhre, die eine Anode und einen Fokuskopf nach Anspruch 6 umfasst.
  9. Röntgenstrahler mit einem Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre nach Anspruch 7 oder 8 angeordnet ist.
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