EP3685420B1

EP3685420B1 - Mbfex-röhre

Info

Publication number: EP3685420B1
Application number: EP18779196.7A
Authority: EP
Inventors: Johannes Ringel; Bo Gao; Houman Jafari
Original assignee: Cetteen GmbH
Current assignee: Cetteen GmbH
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: ES2957611T3; WO2019057338A1; DE102017008810A1; EP3685420C0; JP7015383B2; US11183357B2; JP2020533767A; CN111448637B; CN111448637A; US20200312601A1; EP3685420A1

Description

Die Erfindung betrifft eine MBFEX-Röhre (MBFEX = Multibeam Field Emission X-Ray) für ein Röntgengerät, welche auch als Multi-Fokus-Feldemissionsröntgenröhre bezeichnet wird. Solche Röntgenröhren sind beispielsweise aus der Abhandlung: Yang Lu, Hengyong Yu, Guohua Cao, Jun Zhao, Ge Wang, Otto Zhou, Medical Physics 2010, Band 37, S. 3773 - 3781 und der US 7 751 528 B2 bekannt, wobei die Kathoden Kohlenstoffnanoröhren zur Feldemission von Elektronen enthalten. Die dort beschriebenen MBFEX-Röhren sind für die Verwendung in Computertomographen vorgesehen, bei welchen anstelle einer Rotation eines Röntgenemitters sequentielle elektrische Schaltungen einzelner fest angeordneter Röntgenemitter vorgenommen werden.
Im Zusammenhang mit Elektronenemittern, die Nanostäbchen, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, enthalten, wird beispielhaft auch auf die Dokumente WO 2018/086737 A1 und WO 2018/086744 A2 verwiesen.
Verschiedene MBFEX-Röhren, welche in der US 7 751 528 B2 beschrieben sind, weisen fest angeordnete Röntgenemitter auf, in welchen jeweils eine Kathode einer Anode zugeordnet ist. Somit sind insgesamt eine Vielzahl von Kathoden und eine entsprechende Vielzahl von Anoden vorhanden. Während die Anoden auf hohes Gleichspannungspotential gelegt sind, sind die Kathoden einzeln anzusteuern.
DE 10 2010 011661 zeigt eine Multifokusröntgenröhre welche in einem Vakuumgefäß eine darin fest angeordnete Anode (A) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (KH, KL) aufweist, die über eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen mit der Kathodenspannungsquelle (KSV) verbunden sind. Die Kathoden können z.B. als CNT-Feldemitter ausgeführt sein und sind zur Erzeugung von Röntgenquellen auf die Anode ausgerichtet. Die Hochspannung für die Strahlerzeugung kann an der Anode angelegt werden, während die Kathoden auf Masse liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfach realisierbare und bautechnisch kompakte MBFEX-Röhre zur Verfügung zu stellen und die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen lediglich einem Minimum an Strahlung von Sekundärelektronen oder Ionen auszusetzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vorgeschlagene MBFEX-Röhre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch eine Anordnung aus mehreren MBFEX-Röhren gemäß Anspruch 24 gelöst. Die MBFEX-Röhre ist gemäß Anspruch 25 herstellbar und gemäß Anspruch 27 betreibbar.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre ist für ein Röntgengerät vorgesehen und weist in einer Vakuumröhre eine darin fest angeordnete und als Kühlfinger ausgebildete Anode sowie eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden auf. Die Vakuumröhre weist wiederum eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen auf. Hierbei ist in einer Hochspannungsdurchführung ein Kühlmittel-Rohr angeordnet, in welchem ein weiteres Rohr, das heißt Kühlmittel-Innenrohr, angeordnet ist. Hierbei kann entweder das außenliegende oder das innenliegende Rohr als Kühlmittel-Zufuhrrohr fungieren, wobei das jeweils andere Rohr als Kühlmittel-Abfuhrrohr vorgesehen ist.
Das Kühlmittel-Zufuhrrohr und das Kühlmittel-Abfuhrrohr sind zur Kühlung der Anode mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen. Die Kathoden sind zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils bezüglich ihrer Elektronen-Hauptemissionsrichtung auf die gemeinsame Anode zur Erzeugung von Röntgenquellen ausgerichtet. Die Röntgenquellen auf der Anode emittieren Röntgenstrahlenbündel, die jeweils eine Röntgen-Hauptemissionsrichtung aufweisen. Die Röntgenquellen sind auf der Anode vorzugsweise reihenförmig angeordnet.
Der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre liegt der erste Gedanke zugrunde, zur Lösung des Kühlungsproblems der Anode, welches bei MBFEX-Röhren nach dem Stand der Technik gegeben ist, die Anode der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre selbst als Kühlvorrichtung in Form eines Kühlfingers auszubilden. In diesem Sinne ist in der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre die Anode hohl gestaltet, wobei der Hohlraum zweischalig gestaltet ist, um sowohl die Zuführung als auch die Abführung von Kühlmittel zu ermöglichen. Beispielsweise handelt es sich bei dem inneren Rohr um das Kühlmittel-Zufuhrrohr und bei dem äußeren, das innere Rohr konzentrisch umgebenden Rohr um das Kühlmittel-Abfuhrrohr.
Die Anode einschließlich der Kühlmittelrohre ist an einem Ende geschlossen. An diesem Ende der langgestreckten Anode ist der Übergang zwischen dem Kühlmittel-Zufuhrrohr und dem Kühlmittel-Abfuhrrohr gebildet. Als flüssige Kühlmittel sind unter anderem niedrigviskose Siliconöle, insbesondere mit einem Siedepunkt von mehr als 450° C, geeignet. Auch Isolieröle, die unter der Marke "Shell Diala" vertrieben werden, können als Kühlmittel zur Kühlung der Anode verwendet werden.
Die Ausgestaltung der Anode als Kühlfinger entspricht nicht nur einer besonders vorteilhaften kompakten Bauform, sondern weist den Vorteil auf, dass sowohl das Kühlmittel-Abfuhrrohr als auch das Kühlmittel-Zufuhrrohr an einem der beiden Enden der Anode durch einen Durchgang durch die Vakuumröhre mit einer Kühlmittel-Umwälzvorrichtung verbindbar ist.
Die Anode enthält beispielsweise Molybdän und/oder Wolfram und weist optional eine für die Emission von Röntgenstrahlen geeignete Beschichtung auf der äußeren Oberfläche auf. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind gegenüber der langgestreckten Grundform schräg gestellte Oberflächenabschnitte der Anode durch Aufsätze der Anode gebildet. Hierbei weisen die einzelnen Aufsätze unterschiedliche Schrägstellungswinkel gegenüber dem langgestreckten Grundkörper der Anode auf. Auf diese Weise ist es mit besonders hoher Effizienz möglich, die an den einzelnen Aufsätzen durch auftreffende Elektronen entstehende Röntgenstrahlung in Richtung des Isozentrums der die MBFEX-Röhre umfassenden Röntgenanlage auszurichten. Dieses Ergebnis ist auch erzielbar, indem die genannten Oberflächenabschnitte durch Einschliffe in der Anode hergestellt werden. Eine Beschichtung der Anode kann sich entweder an deren gesamter Oberfläche oder lediglich an Abschnitten der Oberfläche, nämlich an den Aufsätzen beziehungsweise in den Einschliffen, befinden.
Die Anode der Röntgenröhre ist vorzugsweise als nicht rotierende Anode ausgebildet. Zum Zweck einer weiter verbesserten Kühlung kann grundsätzlich auch eine Rotation der Anode um ihre eigene Achse vorgesehen sein.
Die Fertigung von kleinen Durchführungen durch eine Vakuumröhre für Röntgengeräte ist bezüglich der Abdichtung gegen die Außenatmosphäre fertigungstechnisch einfach bewerkstelligbar. Die Kathoden-Zuleitungen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind als Anschlüsse der Kathoden an eine elektrische Spannung, typischerweise in Höhe weniger kV, insbesondere bis zu 4 kV, vorgesehen und sind beispielsweise als Drahtzuleitungen ausgebildet. Ist beispielsweise die Vakuumröhre aus Glas gefertigt, so sind Kathoden-Zuleitungen in Form von Drähten in die Vakuumröhre einfach einschmelzbar, wobei solche Durchführungen eine hohe und langlebige Dichtigkeit aufweisen.
Größere Durchführungen, beispielsweise für elektrische Hochspannungsanschlüsse oder für Rohre, in einer Vakuumröhre müssen dagegen aufwändig abgedichtet werden. Daher ist es vorteilhaft, eine größere Anzahl von solchen größeren Durchführungen an einer Vakuumröhre zu vermeiden. Im Sinne eines zweiten Grundgedankens ist dies bei der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre dadurch erzielt, dass das Kühlmittel-Abfuhrrohr zusammen mit dem Kühlmittel-Zufuhrrohr durch eine Hochspannungsdurchführung hindurchgeführt ist. Die Hochspannungsdurchführungen sind für den Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung vorgesehen. Der Anschluss der Anode an eine Hochspannung erfolgt vorzugsweise jeweils endseitig an dieser.
Zwischen den Kathoden und der Anode sind Fokussierungselektroden fest in der Vakuumröhre angeordnet, welche beispielsweise über elektrische Zuleitungen in den Kathoden-Zuleitungen an eine elektrische Spannung anschließbar sind. Die Fokussierungselektroden befinden sich in dem Raum zwischen Extraktionsgittern, die gering von den Kathoden beabstandet sind, und der Anode.
Strukturen der Extraktionsgitter sind besonders präzise durch Laserbearbeitung herstellbar. Insbesondere ist ein Pikosekunden- oder Femtosekunden-Laser zur Strukturierung der Extraktionsgitter geeignet. Die präzise Fertigung des Extraktionsgitters ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass von der Kathode flächig emittierte Elektronen mit einem hohen Transmissionsgrad zur Anode gelangen. Während des Betriebs der MBFEX-Röhre ist unter anderem die Elektronenquelle einschließlich des Extraktionsgitters thermischen Belastungen ausgesetzt. Um Verformungen des Extraktionsgitters durch diese Belastungen zu minimieren, ist bevorzugt ein spezielles Design des Extraktionsgitters verwirklicht:
Das Extraktionsgitter hat grundsätzlich eine der Form der zugehörigen Elektronenquelle, das heißt Kathode, angepasste Grundform, insbesondere eine rechteckige Grundform. Die Längsseiten dieses Rechtecks sind durch sogenannte Randstreifen des Extraktionsgitters gebildet. Die beiden Randstreifen sind durch quer zu diesen verlaufende Gitterstreifen einstückig miteinander verbunden. Für die Aufnahme thermisch bedingter Verformungen sind die Übergangsbereiche zwischen den Gitterstreifen und den Randstreifen von besonderer Bedeutung. Als besonders vorteilhaft hat sich ein gekrümmter Übergang zwischen Gitterstreifen und Randstreifen herausgestellt. Hierbei sind die Krümmungen an den beiden Enden des Gitterstreifens vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet. Ist beispielsweise, in Draufsicht auf das Extraktionsgitter, ein Ende des Gitterstreifens an seinem Übergang zum Randstreifen nach oben gekrümmt, so ist das andere Ende des Gitterstreifens am Übergang zum gegenüberliegenden Randstreifen nach unten gekrümmt. Die Gitterstreifen weisen somit jeweils eine langgestreckte S-Form auf, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Gitterstreifen über deren gesamte Länge zumindest näherungsweise konstant ist. Jeder Gitterstreifen schließt hierbei in einem nicht rechten Winkel an den Randstreifen an. Statt einer langgestreckten S-Form des Gitterstreifens kann dieser auch eine sonstige für eine Längenkompensation geeignete Form aufweisen. Beispielsweise können in jeden Gitterstreifen, insbesondere nahe der Übergangsbereiche zu den Randstreifen, bogenförmig, beispielsweise halbkreisförmig, gekrümmte Abschnitte integriert sein. Ebenso ist es möglich, Abschnitte der Gitterstreifen mit einfachen oder Z-förmigen Abwinklungen, vorzugsweise in abgerundeter Form, zu gestalten. In allen Fällen ist der Abstand zwischen benachbarten Gitterstreifen vorzugsweise über die gesamte Länge der Gitterstreifen konstant.
Der Abstand zwischen jedem Punkt des Extraktionsgitters und dem Elektronenemitter ist nicht nur im kalten Zustand der MBFEX-Röhre, sondern zu jedem Zeitpunkt des bestimmungsgemäßen Betriebs mit sehr guter Näherung konstant. Außer dem Extraktionsgitter sind auch Komponenten der Fokussierungs-vorrichtung präzise mit gepulster Laserstrahlung bearbeitbar. Das Extraktionsgitter kann ebenso wie Fokussierungskomponenten beispielsweise aus Stahl, insbesondere nichtrostendem Stahl, gefertigt sein.
Die Röntgenstrahlenbündel, welche an den Röntgenquellen auf der Anode erzeugbar sind, weisen jeweils eine Richtung mit der maximalen Intensität der emittierten Röntgenstrahlung auf, welche der jeweiligen Röntgen-Hauptemissionsrichtung entspricht. Eine solche Röntgen-Hauptemissionsrichtung ist bei allen Röntgenquellen gegeben, welche von einer Kugelstrahlquelle verschieden sind. Die vom Röntgendetektor erfasste Geometrie des Röntgenstrahlenbündels hängt außer von der Fokussierung des Elektronenstrahls auch von der Kollimierung der Röntgenstrahlung ab. Hierbei kann ein Röntgenfenster in der Vakuumröhre als Kollimator-Vorrichtung ausgebildet und/oder vor einem Röntgenfenster an der Vakuumröhre eine Kollimator-Vorrichtung angebracht sein.
Mit der MBFEX-Röhre sind beispielsweise fächerförmige Röntgenstrahlenbündel (fan beam) und/oder kegelförmige Röntgenstrahlenbündel (cone beam) erzeugbar. Jede einzelne der auf der Anode gebildeten Röntgenquellen kann beispielsweise näherungsweise punktförmig, flächig oder strichförmig sein. Das Querschnittsprofil der Röntgenstrahlung im Isozentrum der röntgentechnischen Anlage, insbesondere Tomographieanlage, ist außer von der Form der Röntgenquelle vor allem von der Kollimierung der Röntgenstrahlung abhängig.
In der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind die Kathoden vorzugsweise derart reihenförmig fest angeordnet, dass in Zusammenwirkung mit den Fokussierungselektroden auf der Anode eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen erzeugt wird. Die Kathoden sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. In einem Computertomographen ist die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anstelle einer rotierenden Röntgenquelle einsetzbar.
In der erfindungsgemäßen Ausführung der MBFEX-Röhre sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen in einer Reihe und der Anode gegenüberliegend auf der Vakuumröhre angeordnet. Dies bedeutet, dass sich - im Querschnitt der MBFEX-Röhre betrachtet - die Kathoden-Zuleitungen und Hochspannungsdurchführungen einerseits und die Anode andererseits diametral gegenüber liegen. Mit einer solchen Anordnung sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen lediglich einem Minimum an Strahlung von Sekundärelektronen oder Ionen ausgesetzt. Besonders vorteilhaft gestattet eine solche Anordnung auch einen einfach bewerkstelligbaren Einbau der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre in ein Röntgengerät, beispielsweise in die Gantry eines Computertomographen.
Nachfolgend wird auf einzelne vorteilhafte Weiterbildungen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre eingegangen.
In bevorzugter Gestaltung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen deren Kathoden Kohlenstoffnanoröhren auf. Die sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht eine hohe Stromtragfähigkeit ohne nennenswerte Hitzeentwicklung auf die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren selbst. Kohlenstoffnanoröhren weisen einen niedrigen Feldstärke-Schwellenwert von weniger als 2 V /m für die Feldemission von Elektronen auf. Der Feldstärke-Schwellenwert bei Kathoden zur Emission von Elektronen, welche Kohlenstoffnanoröhren aufweisen, ist noch weiter absenkbar, indem die Kohlenstoffnanoröhren in senkrechter Vorzugsrichtung auf der Kathodenoberfläche angeordnet sind. Da einwandige Kohlenstoffnanoröhren Halbleiter und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren metallische Leiter darstellen, sind mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren für Anwendungen als Elektronenemitter auf den Kathoden der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre besonders geeignet. Besonders vorteilhaft ist daher der Betrieb der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre, welche Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Kathoden aufweist, mit einer Stromversorgung von verhältnismäßig geringer Leistungsstärke bewerkstelligbar.
Außer Kohlenstoffnanoröhren sich auch Nanostäbchen anderer Art, allgemein auch als Nanosticks bezeichnet, für die Emission von Elektronen innerhalb der MBFEX-Röhre geeignet. In bevorzugter Ausgestaltung sind aus solchen Nanosticks Feldemissionskathoden als Kathoden der Röntgenröhre gebildet.
Die Nanosticks der Kathode sind vorzugsweise aus einem Material beschaffen, welches bezüglich des quantenmechanischen Feldemissionseffektes eine möglichst niedrige Elektronenaustrittsarbeit zur Feldemission von Elektronen aufweist. Die Nanosticks weisen hierbei eine in sich einheitliche oder uneinheitliche Zusammensetzung auf und sind entweder als Hohlkörper, das heißt Röhren, oder massiv ausgebildet. Die Kathoden können hierbei Nanosticks gleicher Art oder einen Mischung verschiedener Arten von Nanosticks aufweisen, wobei sich die Art der Nanosticks auf deren Stoffzusammensetzung und Stoffmodifikation bezieht.
Geeignete Materialien in reiner oder dotierter Form für die Feldemission von Elektronen sind neben ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren auch ein- oder mehrwandige Hetero-Stickstoff-Kohlenstoffnanoröhren, Boride der seltenen Erden, insbesondere Lanthanhexaborid und Cerhexaborid, Metalloxide, insbesondere TiO₂, MnO, ZnO und Al₂O₃, Metallsulfide, insbesondere Molybdänsulfid, Nitride, insbesondere Bornitrid, Aluminiumnitrid, Kohlenstoffnitrid, Galliumnitrid, Carbide, insbesondere Siliciumcarbid, Silicium. Als Ausgangsprodukte zur Herstellung der Nanosticks, welche beim Betrieb der Kathoden Elektronen emittieren, sind auch stabförmige, optional hohle, Elemente aus polymeren Materialien geeignet. Die Nanosticks der Kathoden sind optional aus Ausgangsprodukten, welche lediglich partiell, insbesondere in Form einer Beschichtung, Polymermaterialen aufweisen, gefertigt.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung weisen die Kathoden auf der Oberfläche Nanosticks in einer vertikalen Vorzugsrichtung, das heißt in Richtung zu der Anode, auf. Beim Betrieb des Röntgenemitters und bei hinreichendem Abstand untereinander sind an den Spitzen der Nanosticks sehr starke elektrische Felder erzeugbar, wodurch die Emission von Elektronen wesentlich vereinfacht ist.
In einer möglichen Ausführungsform der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre ist in der Vakuumröhre mehr als eine Sorte von Kathoden angeordnet, wobei sich der Begriff "Sorte" sowohl auf die Geometrie als auch auf sonstige Eigenschaften der Kathoden, beispielsweise auf die Werkstoffe, beziehen kann. Kathoden gleicher und unterschiedlicher Sorte sind grundsätzlich in beliebiger Weise sequentiell elektrisch ansteuerbar. Neben den Kathoden selbst können auch Unterschiede hinsichtlich der Fokussierung gegeben sein. Zusammen mit Eigenschaften wie der Flächengeometrie der einzelnen Kathoden sind damit unterschiedliche Elektronenstrahlenbündel und letztlich unterschiedliche Röntgenstrahlenbündel erzeugbar.
Die Nanostäbchen der Kathode weisen zum Beispiel eine Länge von weniger als 20 µm und einen Durchmesser von weniger als 10 nm auf, wobei eine auf die Fläche der Kathode bezogene Dichte von mindestens 10⁶ Nanostäbchen pro cm² gegeben ist.
Zur Herstellung der Nanostäbchen enthaltenden Kathode ist ein Siebdruckverfahren geeignet. Damit ist im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, insbesondere zum Verfahren der elektrophoretischen Abscheidung (EPD), eine besonders gleichmäßige Schichtdicke sowie eine relativ glatte Oberfläche des Emitters erzielbar. Vorzugsweise ist zumindest durch eine Sorte von Kathoden eine zur Emission von Elektronen ausgebildete Schicht mit einer Dicke von weniger als 20 µm und einem Mittenrauwert (Ra) von weniger als 2,5 µm gebildet. Die hohe Qualität der Emitterschicht trägt zusammen mit einem konstanten Abstand zum Extraktionsgitter zu einer hohen Transmissionsrate der Elektronenquelle der Röntgenröhre von bis zu 90% und mehr bei. Die hohe Transmissionsrate wird auch begünstigt durch die mittels des Siebdruckverfahrens bewirkte hauptsächliche Ausrichtung der Nanostäbchen in vertikale Richtung, bezogen auf die Substratoberfläche, auf welcher sich die Emitterschicht befindet.
Es ist auch möglich, innerhalb ein und derselben MBFEX-Röhre sowohl Kathoden mit Kohlenstoffnanoröhren als auch völlig andersartige Kathoden, beispielsweise Kathoden mit Spitzen aus Wolfram, welche auf andere, grundsätzlich bekannte Art arbeiten, zu verwenden. Ebenso können innerhalb der MBFEX-Röhre Dispenserkathoden zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang wird auf die Dokumente DE 10 2011 076 912 B4 und DE 10 2010 043 561 A1 verwiesen.
Soweit die Kathoden als Feldemissionskathoden ausgebildet sind, weist die komplette Emitteranordnung vorzugsweise folgenden Schichtaufbau auf:
Als unterste Schicht der Emitteranordnung ist ein flächiges Trägerelement, insbesondere in Form einer Keramikplatine, vorgesehen. Die Keramikplatine ist beispielsweise aus Korund gefertigt. Die Emitterschicht befindet sich auf der Keramikplatine. In Bereichen neben den flächigen Emittern ist die Keramikplatine durch eine Metall-Zwischenplatte, welche auch als Spacer bezeichnet wird, abgedeckt. Auf der Metall-Zwischenplatte, welche an ein definiertes elektrisches Potential gelegt wird, befindet sich ein sogenanntes Gitterblech einschließlich der den einzelnen Emittern zugeordneten Extraktionsgitter. Das Gitterblech wiederum ist abgedeckt durch eine Platte aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik, welche allgemein als obere Isolierlage bezeichnet. Die Bezeichnung "obere" Lage hat hierbei keinen Zusammenhang mit der Ausrichtung des Elektronenemitters im Raum, sondern bedeutet lediglich, dass die genannte Lage am nächsten zur Anode der Röntgenröhre angeordnet ist. Der beschriebene Schichtaufbau ist auch für sonstige, nicht als Ganzes beanspruchte Röntgenröhren geeignet.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre umschließt die Anode einen vorgesehenen Untersuchungsbereich mindestens teilweise. Hierbei umschließen die Röntgenquellen und die Röntgen-Hauptemissionsrichtungen den Untersuchungsbereich ebenfalls mindestens teilweise. Der Untersuchungsbereich ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes in einem Röntgengerät vorgesehen.
Beispielsweise ist die MBFEX-Röhre als Ganzes gekrümmt, womit sie bereits als einzelne Röntgenröhre den Untersuchungsbereich teilweise umschließt. Ein weitergehendes Umschließen des Untersuchungsbereiches ist auf verschiedene Arten realisierbar: Beispielsweise kann sich die MBFEX-Röhre über einen sehr großen Winkel, im Extremfall bis annähernd 360°, erstrecken, das heißt eine annähernd geschlossene Ringform aufweisen. Alternativ ist es möglich, eine Ringform aus einzelnen MBFEX-Röhren zusammenzusetzen. Die einzelnen MBFEX-Röhren können hierbei jeweils entweder gekrümmt oder in sich gerade sein. Im letztgenannten Fall ergibt sich eine Polygonform der Anordnung aus sämtlichen MBFEX-Röhren. Auch unvollständige Polygonformen oder Ringformen, etwa L-Formen, U-Formen oder Halbkreisformen, sind durch Kombination mehrerer MBFEX-Röhren herstellbar, wobei nicht notwendigerweise sämtliche MBFEX-Röhren solcher Anordnungen gleichartig geformt sind.
Durch eine bogenförmig ausgebildete konkav um den Untersuchungsbereich angeordnete Anode der MBFEX-Röhre ist in einem Computertomographen im Vergleich zu herkömmlichen Gestaltungen die Brennfleckunschärfe reduzierbar und eine höhere als auch gleichbleibende Bildauflösung erzielbar, insbesondere, wenn die Anode als Kreisbogen ausgebildet ist. Ist die Anode als Kreisbogen ausgebildet, so sind sämtliche Röntgenstrahlen gleichermaßen auf ein Untersuchungsobjekt ausgerichtet. Unter anderem durch die Minimierung der Anzahl der Hochspannungsdurchführungen ist das Untersuchungsobjekt praktisch von sämtlichen Umfangspositionen aus mittels einer einzigen MBFEX-Röhre durchleuchtbar.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch besonders einfach realisierbare kompakte und robuste Bauweise aus und ist insbesondere für Computertomographen zum Ersatz einer rotierenden Röntgenquelle geeignet. Die Vakuumröhre, in welcher die Röntgenstrahlung erzeugt wird, ist vorzugsweise aus Metall gefertigt.
Mit Hilfe von Kathoden unterschiedlicher Sorte, die in ein und derselben MBFEX-Röhre angeordnet sind, sind auf einfache Weise verschiedene Röntgenaufnahmen, welche sich hinsichtlich der Dosis voneinander unterscheiden, generierbar. Damit ist eine einfache Möglichkeit einer Dosis-Modulation gegeben. Die Anzahl der in einer röntgentechnischen Anlage vorhandenen MBFEX-Röhren unterliegt ebenso wie die Form der einzelnen MBFEX-Röhren sowie die geometrische Anordnung der MBFEX-Röhren in Relation zueinander grundsätzlich keinen Beschränkungen. Ebenso ist die MBFEX-Röhre oder eine Mehrzahl an MBFEX-Röhren innerhalb einer röntgentechnischen Anlage mit Röntgenröhren anderer Bauart kombinierbar. Allgemein sind Röntgenstrahlen verschiedener Wellenlängen, wie sie für Multi-Energy- oder Dual-Energy-Aufnahmen vorgesehen sind, durch verschiedene Einstellungen der Anodenspannung erzeugbar.
Unabhängig von der Gestaltung der Kathoden sind durch die MBFEX-Röhre in bevorzugter Verfahrensführung aufeinander folgende Röntgenpulse unterschiedlicher Wellenlänge generierbar. Damit sind mit besonders hoher Zuverlässigkeit und gleichzeitig kurzer Aufnahmedauer unterschiedliche Materialien innerhalb des Untersuchungsvolumens voneinander unterscheidbar.
Im Sinne einer geringen Störungsanfälligkeit sowie einer Schadensvermeidung, zumindest einer Schadensminimierung, im Fall eventueller Störungen hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, verschiedene, auf das Potential Null zu legende Komponenten der MBFEX-Röhre auf unterschiedliche Weise zu erden. Dies betrifft im Einzelnen Fokussierungselektroden sowie das den Elektronenemittern, welche Kohlenstoffnanoröhren oder sonstige Nanosticks enthalten, unmittelbar vorgesetzte Extraktionsgitter:
Während passive Fokussierungselektroden in bevorzugter Ausgestaltung über ein Gehäuse geerdet sind, erfolgt die Erdung des Extraktionsgitters unabhängig von dem genannten Gehäuse, zum Beispiel über eine gesonderte Erdungsleitung, welche einer Einheit zur Ansteuerung der Elektronenemitter zugeordnet sein kann.
Der Vorteil der separaten Erdung von Fokussierungselektroden und Extraktionsgitter kommt zum Tragen, falls durch einen Überschlag das Potential der Fokussierungselektroden - trotz vorhandener Erdung - aufgrund des sehr hohen Potentials, auf welchem sich die Anode befindet, kurzzeitig angehoben wird. Wäre in diesem Moment das Extraktionsgitter zusammen mit den Fokussierungselektroden geerdet, so hätte dies ein entsprechend erhöhtes Potential des Extraktionsgitter und damit eine erhöhte Spannungsdifferenz zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Extraktionsgitter zur Folge. Aufgrund der gegebenen, stark ausgeprägten Spannungsabhängigkeit der Elektronenemission der Kohlenstoffnanoröhren würde in der Folge die Elektronenemission extrem ansteigen, was die Gefahr einer Beschädigung der Röntgenröhre mit sich brächte. Eine solche Beschädigungsgefahr wird durch die gesonderte Erdung von Fokussierungselektroden einerseits und Extraktionsgitter andererseits vermieden.
Nachfolgend wird die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anhand einer Zeichnung näher erläutert, in welcher verschiedene Ausführungsbeispiele zusammengefasst sind. Hierin zeigen, in teilweise grob vereinfachter Darstellung:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematischer Aufsicht auf eine als Kreisbogen ausgebildet Anode 30,
Fig. 2: das erste Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematisierter Seitenansicht,
Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit einer geraden, linienförmig ausgebildeten Anode 30,
Fig. 4: das zweite Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit geschnittener Ansicht der Anode 30,
Fig. 5: eine Hochspannungsdurchführung 52 der MBFEX-Röhre 1 nach Fig. 3,
Fig. 6, 7: Teilansichten einer Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des ersten Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
Fig. 8, 9: Teilansichten der Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des zweiten Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
Fig. 10, 11: Teilansichten einer alternativen Ausgestaltung einer Gittervorrichtung 43 einer MBFEX-Röhre 1,
Fig. 12: eine Emitteranordnung 33 einer MBFEX-Röhre 1 in Explosionsdarstellung,
Fig. 13: eine obere Isolierlage 48 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 14: ein Gitterblech 47 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 15: eine Extraktionsgitterelektrode 71 des Gitterblechs 47 nach Fig. 14,
Fig. 16: ein Metall-Zwischenblech 46 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 17, 18: die Vorderseite einer Keramikplatine 45 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 19: die Rückseite der Keramikplatine 45 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 20: ein Detail der Keramikplatine 45,
Fig. 21: ein Detail einer MBFEX-Röhre 1 mit zwei unterschiedlichen Sorten von Kathoden 41, 42,
Fig. 22, 23: ein Beispiel einer insgesamt ringförmigen Anordnung mehrerer MBFEX-Röhren 1 in zwei verschiedenen Ansichten,
Fig. 24, 25: ein Beispiel einer insgesamt polygonförmigen Anordnung mehrerer MBFEX-Röhren 1 in zwei Ansichten analog Fig. 22 und 23,
Fig. 26, 27: ein mehrere, jeweils als Röntgenquelle fungierende Aufsätze 33 aufweisende Anode 30 einer MBFEX-Röhre 1,
Fig. 28: in dreidimensionaler Darstellung die Form einer Kathode 40 einer MBFEX-Röhre 1 sowie zum Vergleich eine herkömmliche Kathodenform,
Fig. 29: in einem Diagramm Strom- und Spannungspulse beim Betrieb der MBFEX-Röhre 1.

Alle nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind für einen Computertomographen vorgesehen und weisen eine Vakuumröhre 20 mit einem Röntgenfenster 21 auf. In der Vakuumröhre 20 aller Ausführungsbeispiele ist eine als Kühlfinger ausgebildete Anode 30 fest angeordnet. Die Anode 30 enthält Wolfram.
Die ersten beiden Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen in der Vakuumröhre 20 eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden 40 einer einheitlichen Sorte und das Ausführungsbeispiel nach Fig. 21 solche Kathoden 41, 42 zweier verschiedener Sorten auf, wobei die Kathoden 40, 41, 42 für die Feldemission von Elektronen vorgesehen sind. Die Kathoden 40, 41, 42 sind jeweils bezüglich der Elektronen-Hauptemissionsrichtung e der erzeugbaren Elektronenstrahlenbündel E auf die gemeinsame Anode 30 zur Erzeugung von Röntgenquellen Q ausgerichtet. Die Kathoden 40, 41, 42 sind in der Weise reihenförmig fest angeordnet, dass auf der Anode 30 eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen Q erzeugbar ist. Die Kathoden 40, 41, 42 sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. Die Röntgenstrahlenbündel X weisen jeweils eine Röntgen-Hauptemissionsrichtung x auf.
In allen Ausführungsbeispielen ist auf jede Röntgenquelle Q jeweils eine Gittervorrichtung 43 ausgerichtet. Die Gittervorrichtungen 43 sind zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 30 fest in der Vakuumröhre 20 angeordnet. Jede Gittervorrichtung 43 weist ein Extraktionsgitter auf. Die Extraktionsgitter sind mit geringem Abstand vor den Kathoden 40, 41, 42 angeordnet und zur Extraktion von Elektronen in Form eines Elektronenstrahlbündels E aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Extraktionsgitter sind in den Figuren 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Die Vakuumröhre 20 aller Ausführungsbeispiele weist wiederum eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen 50 und zwei Hochspannungsdurchführungen 51, 52 auf. Die Kathoden-Zuleitungen 50 sind als Anschlüsse der Kathoden und der Gittervorrichtungen 43 an eine elektrische Spannung von wenigen kV vorgesehen und als Drahtzuleitungen ausgebildet. Die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 sind für den jeweils endseitigen Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung von mehreren 10 kV vorgesehen. Typischerweise liegt die Hochspannung im Bereich von 10 kV bis 420 kV. Werte im oberen Bereich dieses Intervalls werden zum Beispiel bei röntgentechnischen Anlagen zur Untersuchung größerer Gegenstände im nicht medizinischen Bereich gewählt.
In einer Hochspannungsdurchführung 52 ist ein Kühlmittel-Abfuhrrohr 31 mit einem innenliegenden Kühlmittel-Zufuhrrohr 32 hindurchgeführt. Das Kühlmittel-Abfuhrrohr 31 und das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32 sind zur Kühlung der Anode 30 mit einem flüssigen, elektrisch nicht leitenden Kühlmittel mittels einer Umwälzvorrichtung vorgesehen.
In allen Ausführungsbeispielen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind durch die Kathoden 40, 41, 42 in Zusammenwirkung mit der Anode 30 Röntgenpulse einheitlicher oder alternierend wechselnder Energie erzeugbar. Beispielhaft ist in Fig. 29 der zeitliche Verlauf eines Emitterstroms EC, eines Anodenstroms AC, sowie der Gitter-Emitter-Spannung GEV aufgezeichnet. Das Diagramm nach Fig. 29 zeigt tatsächliche Messdaten. Hervorzuheben ist der hohe Transmissionsgrad von ca. 90%, welcher das Verhältnis von Anodenstroms AC zu Emitterstroms EC angibt. Im vorliegenden Fall der sich aus den gemessenen Spannungswerten ermittelte Anodenstroms AC 52,2 mA und der Emitterstroms EC 58,2 mA. Dieses extrem günstige Verhältnis zwischen Anodenstroms AC und Emitterstroms EC resultiert maßgeblich aus der hohen Qualität der im Folgenden noch näher beschriebenen Emitteranordnung 44 der Röntgenröhre 1.
Das erste Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und der Fig. 2 näher erläutert. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Anode 30 als Kreisbogen ausgebildet.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Anode 30, wobei die Vakuumröhre 20, die Gittervorrichtungen 43 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar sind. Die Fig. 1 ist nicht maßstabsgetreu. Die Anode 30, die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 sind innerhalb der Vakuumröhre 20 angeordnet. Hierbei befinden sich die Kathoden 40 auf einem Träger 6 aus metallisierter Keramik. Die Anode 30 ist unabhängig von den Kathoden 40 in der Vakuumröhre 20 befestigt. Die Röntgenquellen Q sind so angeordnet, dass die erzeugten Röntgenstrahlenbündel X in ihren jeweiligen Röntgen-Hauptemissionsrichtungen x auf einen Untersuchungsbereich U ausgerichtet sind.
Der Untersuchungsbereich U ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht im Querschnitt. In der Fig. 2 sind das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32, die Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar. Die Kathoden 40 weisen auf ihrer Oberfläche mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren in einer senkrechten Vorzugsrichtung auf. Unter "senkrecht" ist in diesem Zusammenhang eine auf die Anode 30 zu gerichtete Orientierung zu verstehen.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der Fig. 3 und der Fig. 4 näher erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Anode 30 linienförmig ausgebildet ist.
Die Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht auf die MBFEX-Röhre 1 des zweiten Ausführungsbeispiels. In der Fig. 3 sind das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32, die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 nicht sichtbar. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der MBFEX-Röhre 1 sind Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 in einer Reihe und der Anode 30 gegenüberliegend auf der Vakuumröhre 20 angeordnet.
Die Fig. 4 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem zweiten Ausführungsbeispiel mit geschnittener Ansicht der Anode 30. In der Fig. 3 sind die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 ebenfalls nicht sichtbar. Einzelne Merkmale der Hochspannungsdurchführung 52 gehen aus Fig. 5 hervor.
Eine in allen Ausführungsbeispielen vorhandene Gittervorrichtung 43, welche im Detail in unterschiedlichen Varianten in den Figuren 5 bis 11 dargestellt ist, ist auf die Anode 6 ausgerichtet, das heißt zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 6 in der Vakuumröhre 20 angeordnet. Die Gittervorrichtung 43 umfasst definitionsgemäß mindestens eine Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 und mindestens eine Form von Fokussierungselektroden 72, 75, 76.
Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind direkt über den Kathoden 40, 41, 42 fest angeordnet und zur Feldextraktion von Elektronen aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind direkt über jeder Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 ebenfalls fest angeordnet, der Anode 6 zugewandt und für die Fokussierung der extrahierten Elektronen als ein Elektronenstrahlbündel E auf die jeweilige zu erzeugende Röntgenstrahlungsquelle Q vorgesehen. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind unabhängig von Fokussierungselektroden 72, 75, 76 geerdet. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 können als passive oder aktive Fokussierungselektroden betrieben werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine allen Kathoden 40 gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 71 auf, wobei jeder einzelnen Kathode 40 separat eine einzelne Fokussierungselektrode 72 zugeordnet ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine den Kathoden 41 der ersten Sorte gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 73 einer ersten Form und eine den Kathoden 42 der zweiten Sorte gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 74 einer zweiten Form auf, wobei jeweils jeder einzelnen Kathode 41 der ersten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 75 einer ersten Form und jeweils jeden einzelnen Kathode 42 der zweiten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 76 einer zweiten Form zugeordnet ist. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind in den Figuren 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels Tomosynthese liegt auf Anode 6 ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 40 KV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 41 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom von 30 mA fließt. Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels HPEC-Tomosynthese dagegen liegt auf der betreffenden Anode ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 120 kV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 42 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom in der Größenordnung von 0,5 mA fließt.
In allen Ausführungsbeispielen weist der vorgeschlagene Computertomograph einen Stromregler, eine Gerätesteuerung, ein elektronisches Steuersystem (ECS = Electronic Control System), eine Kathoden-Hochspannungsquelle (CPS = Cathode Power Supply), eine Anoden-Hochspannungsquelle (APS = Anode Power Supply) und eine Gerätesteuerung auf. Der Stromregler, die Gerätesteuerung, das elektronische Kontrollsystem, die Kathoden-Hochspannungsquelle, die Anoden-Hochspannungsquelle und die Gerätesteuerung sind Bestandteil einer elektronischen Regelungsvorrichtung. Der Stromregler, die Gerätesteuerung und das elektronische Steuersystem stellen ein elektronisches Leitsystem dar.
Die elektronische Regelungsvorrichtung weist einen elektrischen Hauptkreis und einen Regelkreis auf, wobei der Hauptkreis und der Regelkreis in einem Gleichstromkreis integriert sind. In dem Hauptkreis sind die Anoden-Hochspannungsquelle mit der Anode 6 und dem Stromregler, der Stromregler mit der Gerätesteuerung, die Gerätesteuerung mit dem elektronischen Steuersystem, das elektronische Steuersystem mit der Kathoden-Hochspannungsquelle und die Kathoden-Hochspannungsquelle in paralleler Schaltung mit den Kathoden 40, 41, 42 als auch mit der jeweiligen Gittervorrichtung 43 elektrisch verbunden. In dem Regelkreis ist die Anoden-Hochspannungsquelle über eine Rückführung mit dem Leitsystem elektrisch verknüpft. Hierbei ist das Leitsystem sowohl für die sequentiellen Schaltungen der Kathoden 40, 41, 42, für die Regelung der Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und der Fokussierungselektroden 72, 76, 56 der jeweiligen Gittervorrichtung 43 als auch für die Regelung des Hauptkreisstroms vorgesehen, wobei auf den mit dem Leitsystem vorgegeben Hauptkreisstrom die elektrische Spannung der Kathoden-Hochspannungsquelle anpassbar ist.
In Fig. 21 sind exemplarisch acht Kathoden 41, 42 der MBFEX-Röhre 1 skizziert. Sowohl die Kathoden 41 der ersten Sorte als auch die Kathoden 42 der zweiten Sorte weisen Kohlenstoffnanoröhren auf, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Geometrie. Die Kathoden 41, 42 sind in der Vakuumröhre 20 reihenförmig und alternierend versetzt angeordnet, wobei die Anzahl der Kathoden 41 der ersten Sorte gleich der Anzahl der Kathoden 42 der zweiten Sorte ist. Einer Gittervorrichtung 43 und damit einer Röntgenstrahlenquelle Q kann jeweils eine Kathode 41 der ersten Form und jeweils eine Kathode 42 der zweiten Form zugeordnet sein. In der MBFEX-Röhre 1 nach Fig. 21 sind auf beliebige Weise die Kathoden 41 der ersten Sorte oder die Kathoden 42 der zweiten Sorte sequentiell ansteuerbar. Auf diese Weise sind Dual-Dosis-Röntgenbildaufnahmen mit der MBFEX-Röhre 1 realisierbar.
Wie aus den Figuren 22 bis 25 hervorgeht, sind mehrere MBFEX-Röhren 1 zu einer starren, ringförmigen oder polygonförmigen Anordnung kombinierbar, welche in einem Computertomographen eine rotierende Anordnung ersetzt. Dies gilt für jegliche, bereits beschriebene sowie im Folgenden noch erläuterte Ausgestaltung von MBFEX-Röhren 1.
Ein Schichtaufbau einer Emitteranordnung 44 einer MBFEX-Röhre 1 ist in den Figuren 12 bis 20 illustriert. Die Emitteranordnung 44 umfasst als unterste Lage eine Keramikplatine 45 aus Korund. Die Kathoden 40 befinden sich auf einer leitfähigen Beschichtung der Keramikplatine 45 und sind im Siebdruckverfahren mit hoher geometrischer Präzision hergestellt. Auf der Rückseite der Keramikplatine 45 sind Leiterstrukturen 66 erkennbar.
Auf die Keramikplatine 45 ist eine Metall-Zwischenplatte 46 aufgelegt. Diese Metall-Zwischenplatte 46 weist rechteckige Öffnungen 61 für die Kathoden 40 auf. Zusätzlich befinden sich in der Metall-Zwischenplatte 46 streifenförmige, im Vergleich zu den Öffnungen 61 schmalere und längere Öffnungen 62 an den Längsseiten der Öffnungen 61. Die streifenförmigen Öffnungen 62 haben eine Funktion beim Entgasen der Vakuumröhre 20. Dies gilt sowohl für die Vorbereitung des Betriebs als auch für den laufenden Betrieb der Röntgenröhre 1, jeweils in Zusammenwirkung mit der Keramikplatine 45.
In der Keramikplatine 45 sind neben den Kathoden 40 verschiedene streifenförmige Öffnungen 64, 65 erkennbar. Hierbei liegen jeweils drei kurze, schmale Öffnungen 64 direkt neben den Längsseiten einer jeden Kathode 40. Zusätzlich sind die Kathoden 40 von etwas weiter entfernt liegenden, ebenfalls streifenförmigen Öffnungen 65 flankiert. Dabei sind jeweils zwei streifenförmige Öffnungen 65 in einer Linie hintereinander angeordnet. Zwei Paare solcher Linien an streifenförmigen Öffnungen 65 beschreiben zusammen mit der dazwischen liegenden Anordnung aus Kathode 40 und insgesamt sechs kleineren streifenförmigen Öffnungen 64 insgesamt eine H-Form. Dies gilt für sämtliche Kathoden 40 auf der Keramikplatine 45 mit Ausnahme der beiden äußersten Kathoden 40, welche nur einseitig von streifenförmigen Öffnungen 65 der längeren Art flankiert sind.
Insbesondere die innenliegenden Öffnungen 64, welche sehr nah an den Kathoden 40 liegen, tragen dazu bei, dass während der Emission von Elektronen Gas auch in äußerst geringer Konzentration bis hin zu einzelnen Partikeln zur Rückseite der Emitteranordnung 44 hin abführbar ist. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Vermeidung von Überschlägen innerhalb der Vakuumröhre 20 geleistet. Zum Absaugen von Gas während der Herstellung der Röntgenröhre 1, insbesondere beim Ausheizen, werden in stärkerem Maße die relativ großen streifenförmigen Öffnungen 65 benötigt.
Die Metall-Zwischenplatte 46 weist als integralen Bestandteil einen Anschlussstreifen 63 als von der Emitteranordnung 44 nach außen geführten elektrischen Anschluss auf. Auf der Metall-Zwischenplatte 46 befindet sich ein Gitterblech 47, welches die Extraktionsgitterelektroden 71 umfasst, die jeweils einer Kathode mit exakt definiertem Abstand von 0,224 mm (im Bespiel nach Fig. 12) vorgesetzt sind.
Einzelheiten der Extraktionsgitterelektrode 71 gehen aus Fig. 15 hervor. Insgesamt weist die Extraktionsgitterelektrode 71 eine rechteckige Form auf, deren Längsseiten durch komplett gerade Randstreifen 78 gebildet sind. Die beiden Randstreifen sind durch eine Vielzahl an Gitterstreifen 77 miteinander verbunden, so dass sich insgesamt die Gitterstruktur ergibt. Im Unterschied zu den Randstreifen 78 sind die Gitterstreifen 77 jedoch nicht komplett gerade. Vielmehr ist an den beiden Enden eines jeden Gitterstreifens 77, das heißt am Übergang zum Randstreifen 78, ein abgerundeter Übergangsbereich 79 gebildet. Die abgerundeten Übergangsbereiche 79 sorgen maßgeblich dafür, dass thermisch bedingte Verformungen nicht zu einer Veränderung des Abstandes zwischen der Kathode 40 und dem Extraktionsgitter 71 führen, sondern innerhalb des in einer Ebene liegenden Extraktionsgitters 71 ohne Auswirkungen auf die Emissionseigenschaften der Emitteranordnung 44 aufgenommen werden.
Das Gitterblech 47 ist durch eine obere Isolierlage 48 in Form einer Platte aus einem keramischen Werkstoff abgedeckt, womit die Emitteranordnung 44 komplettiert ist. Die obere Isolierlage 48 weist, wie aus Fig. 12 hervorgeht, Öffnungen 49 auf, welche der Form der Kathoden 40 angepasst sind, um den Durchtritt von Elektronen zu ermöglichen.
Geometrische Merkmale der Kathode 40, wie sie mehrfach in der Emitteranordnung 44 enthalten ist, sind in Fig. 28 dargestellt. Mit guter Näherung ist die Kathode 40 quaderförmig aufgebaut. Über die gesamte Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode 40 sind damit kaum Schwankungen des Abstandes zwischen der Kathode 40 und der in Fig. 28 nicht eingezeichneten Extraktionsgitterelektrode 71 gegeben. Zum Vergleich ist in Fig. 28 gestrichelt die Oberflächenstruktur einer herkömmlich, im Verfahren der elektrophoretischen Abscheidung (EPD) hergestellten Kathode angedeutet. Von einer glatten Oberfläche kann bei diesem Vergleichsbeispiel nicht die Rede sein. Vielmehr sind besonders an den Rändern der im EPD-Verfahren hergestellten Kathode ausgeprägte Spitzen innerhalb der Oberfläche der Emissionskathode gegeben. Die Elektronen werden hauptsächlich an diesen Spitzen emittiert. Dies limitiert zum einen die Lebensdauer und zum anderen die Transmissionsrate an Elektronen. Im Unterschied dazu emittiert die Kathode 40, wie sie in der erfindungsgemäßen Röntgenröhre 1 zum Einsatz kommt, in jedem Flächenabschnitt ihrer Oberfläche mit nahezu konstanter Freisetzungsrate Elektronen.
Ein Ausführungsbeispiel einer mit der Emitteranordnung 44 zusammenwirkenden Anode 30 ist in den Figuren 26 und 27 illustriert. Auf dem zylindrischen Grundkörper der Anode 30 befinden sich mehrere Aufsatzstücke 33, welche auch als Anodenaufsätze oder kurz als Aufsätze bezeichnet werden. Jeder dieser Aufsätze 33 weist eine gegenüber dem Grundkörper schräg gestellte, mit Wolfram oder einem anderen für Röntgenquellen geeigneten Material beschichtete Fläche 34 auf. Die Schrägstellungen der verschiedenen Flächen 34 unterscheiden sich derart voneinander, dass - wie in Fig. 27 angedeutet ist - die emittierte Röntgenstrahlung X in Richtung des im Untersuchungsbereich U liegenden Isozentrums der Röntgenstrahleranordnung 10 fokussiert ist.

Bezugszeichenliste

1: MBFEX-Röhre
6: Träger
10: Röntgenstrahleranordnung
20: Vakuumröhre
21: Röntgenfenster
30: Anode
31: Kühlmittel-Abfuhrrohr
32: Kühlmittel-Zufuhrrohr
33: Aufsatzstück
34: beschichtete Fläche
40: Kathode
41: Kathode einer ersten Sorte
42: Kathode einer zweiten Sorte
43: Gittervorrichtung
44: Emitteranordnung
45: Keramikplatine
46: Metall-Zwischenplatte
47: Gitterblech
48: obere Isolierlage
49: Öffnung in der oberen Isolierlage
50: Kathoden-Zuleitung
51: Hochspannungsdurchführung
52: Hochspannungsdurchführung
61: Öffnung in der Metall-Zwischenplatte
62: streifenförmige Öffnung in der Metall-Zwischenplatte
63: Anschlussstreifen
64: schmale streifenförmige Öffnung
65: breitere streifenförmige Öffnung
66: Leiterstruktur
71: Extraktionsgitterelektrode
72: Fokussierungselektrode
73: Extraktionsgitterelektrode einer ersten Form
74: Extraktionsgitterelektrode einer zweiten Form
75: Fokussierungselektrode einer ersten Form
76: Fokussierungselektrode einer zweiten Form
77: Gitterstreifen
78: Randstreifen
79: abgerundeter Übergangsbereich
80: keramischer Träger
81: Metallschicht

AC: Anodenstrom
E: Elektronenstrahlenbündel
e: Elektronen-Hauptemissionsrichtung
EC: Emitterstrom
GEV: Gitter-Emitter-Spannung
Q: Röntgenquelle
X: Röntgenstrahlenbündel
x: Röntgen-Hauptemissionsrichtung
U: Untersuchungsbereich

Claims

Multibeam Field Emission X-Ray Röhre, MBFEX-Röhre, (1) für ein Röntgengerät, welche in einer Vakuumröhre (20) eine darin fest angeordnete, als auch als Kühlfinger ausgebildete Anode (30) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (40,41,42) aufweist, wobei die Vakuumröhre (20) eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen (50) und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen (51,52) aufweist, in einer Hochspannungsdurchführung (52) ein Kühlmittel-Rohr (31) mit einem innenliegenden Kühlmittel-Innenrohr (32) hindurchgeführt ist, das Kühlmittel-Rohr (31) und das Kühlmittel-Innenrohr (32) zur Kühlung der Anode (30) mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, die Kathoden (40,41,42) zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils auf die Anode (30) zur Erzeugung von Röntgenquellen (Q) ausgerichtet sind, wobei die Kathoden-Zuleitungen (50) und Hochspannungsdurchführungen (51,52) in einer Reihe und der Anode (30) gegenüberliegend auf der Vakuumröhre (20) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquellen (Q.) reihenförmig auf der Anode (30) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Röntgenquellen (Q.) jeweils auf einem gegenüber der Mittelachse der Anode (30) schräg gestellten Oberflächenabschnitt der Anode (30) befinden.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg gestellten Oberflächenabschnitte durch Aufsätze der Anode (30) gebildet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg gestellten Oberflächenabschnitte durch Einschliffe in der Anode (30) gebildet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg gestellten Oberflächenabschnitte der Anode (30) beschichtet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden (40,41,42) Nanostäbchen aufweisen.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanostäbchen als ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder ein- oder mehrwandige Hetero-Stickstoff-Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet ist.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanostäbchen Boride der seltenen Erden, Metalloxide, Metallsulfide, Nitride, Carbide oder Silicium enthält.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostäbchen eine Länge von weniger als 20 µιη und einen Durchmesser von weniger als 10 nm aufweisen, wobei eine auf die Fläche der Kathode (40,41,42) bezogene Dichte von mindestens 10⁶ Nanostäbchen pro cm² gegeben ist.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem über den Kathoden (40,41,42) befindlichen Extraktionsgitter (71) und der Anode (30) Fokussierungselektroden (72) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungselektroden (72) separat von dem Extraktionsgitter (71) geerdet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgitter (71) eine Rechteckform mit zwei zueinander parallelen Randstreifen (78) beschreibt, welche durch Gitterstreifen (77) einstückig miteinander verbunden sind, wobei an den Übergängen zwischen den Gitterstreifen (77) und den Randstreifen (78) abgerundete Übergangsbereiche (79) ausgebildet sind, mit welchen die Gitterstreifen (77) jeweils eine langgestreckte S-Form beschreiben.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhre (20) verschiedene Sorten von Kathoden (40,41,42) aufweist, welche sich hinsichtlich zumindest eines Parameters aus einer Gruppe von Parametern unterscheiden, wobei die Gruppe der Parameter geometrische Parameter und Werkstoffparameter umfasst.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest durch eine Sorte von Kathoden (40,41,42) eine zur Emission von Elektronen ausgebildete Schicht mit einer Dicke von weniger als 20 µm und einem Mittenrauwert, Ra, von weniger als 2,5 µm gebildet ist.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Kathoden (40,41,42) auf einem flächigen Trägerelement (45) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Trägerelement streifenförmige Öffnungen (64) erster Art und streifenförmige Öffnungen (65) zweiter Art aufweist, wobei eine Gruppe an streifenförmigen Öffnungen (64) erster Art näher neben einer Kathode (40) angeordnet ist als eine Gruppe an streifenförmige Öffnungen (65) zweiter Art, und wobei die streifenförmigen Öffnungen (64) erster Art schmaler als die streifenförmigen Öffnungen (65) zweiter Art sind.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Trägerelement (45) Teil einer schichtförmig aufgebauten Emitteranordnung (44) ist, welche weiter eine Metall-Zwischenplatte (46), ein Gitterblech (47) einschließlich Extraktionsgitter (71), sowie eine obere Isolierlage (48) umfasst.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Öffnungen (64,65) des flächigen Trägerelementes (45) zumindest teilweise mit Öffnungen (62) in der Metall-Zwischenplatte (46) fluchten.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) zur beidseitigen Zuleitung und Ableitung von Kühlmittel ausgebildet ist, wobei an den beiden Enden der Anode (30) jeweils eine Kühlmittelzuleitung und eine zugeordnete Kühlmittelableitung angeordnet ist.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) einen Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließt, wobei die Röntgenquellen (Q.) den Untersuchungsbereich (U) ebenfalls mindestens teilweise umschließen.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) bogenförmig ausgebildet ist.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) als rotierende Anode ausgebildet ist.
Anordnung mehrerer nach einem der Ansprüche 1 bis 23 ausgebildeter MBFEX-Röhren (1), wobei durch die Gesamtheit der MBFEX-Röhren (1) eine den Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließende Ring-, Bogen-, Polygon-, L-, oder U-Form gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei eine
Vakuumröhre (20), eine in der Vakuumröhre (20) zu platzierende Anode (30) und zur Feldemission von Elektronen ausgebildete, ebenfalls in der Vakuumröhre (20) anzuordnende Kathoden (40,41,42) bereitgestellt werden, und wobei mindestens ein zwischen den Kathoden (40,41,42) und der Anode (30) anzuordnendes Element, welches aus der Gruppe an Elementen ausgewählt ist, die ein Extraktionsgitter (71) und eine Fokussierungselektrode (72) umfasst, durch Laser bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitung des Elementes (71,72) mit Pikosekunden- oder Femtosekunden Taktung des Lasers erfolgt.
Verfahren zum Betrieb einer MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Anode (30) zur Emission von aufeinander folgenden Röntgenstrahlpulsen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird.