EP4661051A1 - Feldeffektemittermikrostruktur mit erhöhtem schutz - Google Patents

Feldeffektemittermikrostruktur mit erhöhtem schutz

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Publication number
EP4661051A1
EP4661051A1 EP24180798.1A EP24180798A EP4661051A1 EP 4661051 A1 EP4661051 A1 EP 4661051A1 EP 24180798 A EP24180798 A EP 24180798A EP 4661051 A1 EP4661051 A1 EP 4661051A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field
effect
insulating layer
gate electrode
microstructure
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.)
Pending
Application number
EP24180798.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anja Fritzler
Peter Geithner
Christoph Jud
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.)
Siemens Healthineers AG
Original Assignee
Siemens Healthineers 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 Siemens Healthineers AG filed Critical Siemens Healthineers AG
Priority to EP24180798.1A priority Critical patent/EP4661051A1/de
Priority to US19/228,959 priority patent/US20250379019A1/en
Priority to CN202510751877.2A priority patent/CN121096834A/zh
Publication of EP4661051A1 publication Critical patent/EP4661051A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes
    • H01J35/065—Field emission, photo emission or secondary emission cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/14—Arrangements for concentrating, focusing, or directing the cathode ray
    • H01J35/147—Spot size control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/06—Cathode assembly
    • H01J2235/062—Cold cathodes

Definitions

  • the invention relates to a field-effect emitter microstructure, an electron emitter device, an X-ray tube and a method for generating X-rays using an X-ray tube.
  • Field-effect miter microstructures as electron sources in a vacuum are generally known. Particularly when used as electron emitters in evacuated X-ray tubes, field-effect miter microstructures are advantageous due to their fast switching capability, the possibility of pixelating the emission surface, and/or the comparatively high electron emission current density, depending on the design.
  • a typical problem in the operation of field-effect microstructures is the current flowing across the gate electrode, generated by some of the electrons passing through the emitter needles.
  • This gate current can be caused, for example, by an electrically conductive contact between a gate electrode and an emitter needle of the field-effect microstructure due to a faulty manufacturing process and/or mechanical damage.
  • impurities can connect the emitter needles to the gate electrode. Excessive currents through individual emitter needles can lead to damage in the form of a conductive connection to the gate electrode. Such conductive connections can also arise from high-voltage flashovers onto the field-effect microstructure.
  • Another example is that a gate current can occur without a direct conductive connection between the gate electrode and the emitter needle, namely through scattering of the emitted electrons, with some of these scattered electrons flowing away across the gate electrode.
  • the invention is based on the objective of providing a field-effect emitter microstructure, an electron emitter device, an X-ray tube and a method for generating X-rays using an X-ray tube with increased protection.
  • An advantage of the invention is that the free electrons can be focused by means of the focusing layer.
  • the conventional deflection unit for electrostatic or electromagnetic focusing of the electrons can preferably be omitted.
  • the focusing layer is particularly advantageous due to its spatial proximity to the field-effect emission section compared to a conventional deflection unit and is therefore particularly suitable for focusing. Near the field-effect emission section, a low electric field component compared to a conventional focusing voltage can be applied. Focusing of the electrons occurs in the focusing direction, particularly since they still have a low velocity. Preferably, sufficient focusing can be achieved with moderate focusing voltages, while the main component of the field causes an acceleration of the electrons.
  • Another advantage is that focusing deflects some of the free electrons that would normally be directed towards the gate electrode, thereby reducing the gate current. This is particularly beneficial for designs where the free electron current is maximized up to 100 A/cm2. This advantage is especially true for field-effect microstructures with silicon emitter needles compared to field-effect microstructures with carbon emitter needles, the latter typically having an external grid electrode located at a greater distance from the emitter needles.
  • a further advantage of the invention is that, in contrast to a conventional field-effect microstructure, the focusing layer is exposed to the anode instead of the gate electrode.
  • the focusing layer is exposed to the anode instead of the gate electrode.
  • a further advantage of the invention is that the focusing layer can be made virtually arbitrarily thick in order to exhibit high thermal resistance, as may be necessary in the case of voltage flashovers.
  • the currents occurring during a voltage flashover can be dissipated without damaging the field-effect median microstructure.
  • the field-effect miter microstructure is suitable for an X-ray tube in such a way that the electrons generated by the field-effect miter microstructure produce tube currents in a vacuum sufficient for imaging and/or therapeutic applications using the X-rays generated at the anode.
  • a current density of up to approximately 10 A/cm2 is required in the focal spot on the anode.
  • Conventional thermionic emitters have current densities of approximately 3 A/cm2, which is why the conventional thermionic emitter cannot be directly imaged onto the focal spot.
  • the field-effect miter microstructures according to the invention can have emission surfaces that achieve current densities of, for example, up to 100 A/cm2.
  • Imaging applications can include, in particular, computed tomography, angiography, mammography, conventional radiography, image-guided materials testing, and/or image-guided customs inspection.
  • the therapeutic application of X-rays can be, in particular, radiation therapy.
  • the field-effect microstructure essentially concerns an arrangement of microstructure components, in particular the emitter needle, the gate electrode, the first insulating layer, the second insulating layer, and the electrically conductive focusing layer, relative to one another.
  • the field-effect microstructure exhibits structures in the micrometer or nanometer range.
  • the field-effect microstructure is, in particular, a microstructure component.
  • the field-effect microstructure can be a semiconductor component.
  • the field-effect microstructure can, in particular, be manufactured by a semiconductor manufacturer.
  • a field-effect thermionic microstructure with only a single emitter needle is typically at least an order of magnitude smaller in its dimensions compared to a conventional thermionic electron emitter.
  • a field-effect thermionic microstructure with multiple emitter needles, especially with a multitude of emitter needles, can have essentially the same dimensions as a conventional thermionic electron emitter.
  • the field-effect semiconductor microstructure features, in particular, connections for tapping the emission voltage and/or the focusing voltage.
  • the gate electrode may have a connection for tapping a first emission potential.
  • the emitter needle and/or an electrical feed to the emitter needle may have a connection for tapping a second emission potential.
  • the first focusing layer has a connection for tapping a first focusing potential.
  • the A second potential of the focusing voltage can be tapped at the emitter needle or the gate electrode.
  • the focusing voltage is applied between the focusing layer and the gate electrode.
  • the voltage source of the electron emitter device can preferably generate the emission voltage and/or the focusing voltage and provide it at the terminals of the field-effect emitter microstructure.
  • the voltage source can have leads, in particular leads and/or conductors. The generated voltage is applied by providing the generated voltage at the terminals.
  • the housing of the X-ray tube typically comprises metal and/or glass.
  • the housing can typically be temperature-controlled, preferably cooled, and/or electrically insulated during operation by means of a medium that interacts with the outside of the housing.
  • the housing is particularly high-voltage resistant.
  • the interior of the housing can be evacuated.
  • the housing may include a device, for example, a housing opening and/or a valve, for evacuating the interior.
  • the vacuum in the interior is typically a high vacuum.
  • the electron emitter device and the anode are typically arranged opposite each other within the interior.
  • a high voltage is typically applied between the anode and the electron emitter device, which usually forms the cathode, to accelerate the free electrons.
  • This high voltage can be up to 200 kV, for example, but is typically between 20 and 150 kV.
  • the high voltage is typically generated by a high-voltage source and/or provided at the anode or cathode. After acceleration, the electrons interact with the anode to generate the X-rays.
  • the anode can be a rotating anode or a stationary anode.
  • the anode and the housing can be rotatably mounted. In this case, the anode and the housing are typically fixed against rotation.
  • a series resistor can be connected upstream of the anode to limit a short-circuit current through the focusing layer.
  • the emitter needle is specifically a field-effect emitter. It is typically a nano- or microstructural component. Alternatively, it can be referred to as a nanotube.
  • the term carbon nanotube is also used for emitter needles made of carbon.
  • the emitter needle is typically electrically conductive and/or a semiconductor.
  • the emitter needle can be made of carbon, silicon, or another material.
  • the emitter needle is configured as a silicon emitter needle, as described by Guerrera et al.
  • the emitter needle is an elongated and narrow column. It can typically be divided into two functional sections. At the first end is the field-effect emission section, from which electrons can be emitted by means of the field effect, thus moving them away from the emitter needle as free electrons. At the second end, for example, a connecting section is arranged, which serves to conduct electrons from a current source to the field-effect emission section and typically contributes little or nothing to electron emission.
  • the connecting section can be configured, in particular, to supply an electrical potential corresponding to the emission voltage to the field-effect emission section.
  • the emitter needle can also include a current-limiting unit, which is arranged, in particular, upstream of the field-effect emission section, for example, between the field-effect emission section and the connecting section, to limit the current flow through the emitter needle.
  • the current-limiting unit can be, in particular, a transistor or another type of switch.
  • the current-limiting unit can be located at the second end of the emitter needle.
  • the emitter needle can be, in particular, pin-shaped.
  • the emitter needle can typically be divided into two geometric sections, in particular a section with a constant, especially round or polygonal, cross-section and a tapered section.
  • the connecting section is typically part of the cylindrical section.
  • the field-effect emission section is typically part of the tapered section.
  • most electrons are emitted at the outermost tip or the region adjacent to the outermost tip of the tapered section of the emitter needle.
  • the angle formed by the tapered section and the longitudinal center axis can, for example, be 30°.
  • the emission direction of the emitter needle typically lies along its longitudinal center axis.
  • the emission direction is typically away from the field-effect emission section and towards the focusing layer.
  • the emission direction is particularly indicated by the tapered section of the emitter needle.
  • the gate electrode is, in particular, a gate electrode layer.
  • the gate electrode is electrically conductive, especially made of a metal or a doped material, onto which a metallic cover layer may be applied.
  • the gate electrode has, in particular, the gate opening, the underside facing the emitter needle, and the upper side facing away from the underside.
  • the gate opening is a cavity that connects, in particular, the underside of the gate electrode with its upper side and/or is bounded by an inner wall of the gate electrode.
  • the gate opening is preferably enclosed by the inner wall of the gate electrode.
  • the term diameter is used with the proviso that the diameter is fundamentally defined in the plane of the respective layer and that, for non-circular units, especially apertures, the maximum diameter is considered.
  • the diameter refers to a mean diameter calculated from the (maximum) location-dependent, varying diameters.
  • the mean diameter is, in particular, an arithmetic mean.
  • the gate opening is preferably rotationally symmetrical.
  • the gate opening preferably comprises a cylindrical volume.
  • the gate opening particularly has a circular cross-section.
  • the diameter of the gate opening is larger than the diameter perpendicular to the longitudinal center axis of the emitter needle.
  • the gate opening is particularly designed to allow the passage of free electrons.
  • the gate electrode is oriented perpendicular to the emitter needle such that the longitudinal center axis of the emitter needle preferably intersects the cross-section of the gate opening at its center.
  • the gate electrode and the emitter needle are arranged in an approximately T-shape.
  • the longer leg is formed, in particular, by the emitter needle, which divides the gate electrode centrally within the gate opening into approximately two shorter legs.
  • the gate electrode and the emitter needles are not electrically connected to each other.
  • the emitter needle, or rather its longitudinal center axis intersects the gate electrode at its gate opening, preferably without an electrically conductive connection.
  • the center axis of the gate opening and the longitudinal center axis of the emitter needle coincide.
  • adjacent means that a unit, in particular a layer, which adjoins another unit, in particular another layer, is in full-surface and physical contact with that other unit. Adjacent units or layers typically have no cavities between them, but, if any, minimal gaps in the nanometer or micrometer range due to manufacturing processes.
  • one unit, in particular a layer, is at least partially adjacent to another unit, in particular another layer specifically implies that the other unit is at least partially adjacent to the first unit and can mean that the other unit is fully adjacent to the first unit.
  • whether one unit is only partially adjacent to the other and the other is fully adjacent to the first depends on the dimensions and/or the respective arrangement of the units or layers relative to each other, depending on the perspective.
  • the present application considers in particular the areas around the gate opening or the respective passage opening.
  • the degree of adjoining relationship describes, in particular, a proportion of the coverage and not, in particular, a quality of the connection between them.
  • the first insulating layer is particularly suitable for electrically isolating the emitter needle from the gate electrode and vice versa.
  • the first insulating layer typically couples the emitter needle and the gate electrode non-conductively, primarily through mechanical coupling.
  • the first insulating layer consists, for example, of silicon dioxide.
  • the first insulating layer is specifically composed of an electrically non-conductive and/or dielectric material.
  • the first insulating layer is, in particular, a body through which the emitter needle can be aligned relative to the gate electrode without establishing an electrical connection between them.
  • the first insulating layer can be referred to as the insulating matrix.
  • the first insulating layer fills, in particular, the half-spaces below the short legs of the gate electrode up to the emitter needle.
  • the cylindrical section of the emitter needle is typically completely surrounded by the first insulating layer.
  • the tapered section of the emitter needle could at least partially abut the first insulating layer.
  • the first insulating layer may extend beyond the gate electrode, or vice versa.
  • the first insulating layer has its upper side facing the gate electrode and its lower side facing the...
  • the top side faces the underside.
  • the fact that the first insulating layer at least partially abuts the underside of the gate electrode means, in particular, that the top side of the first insulating layer does not abut the underside of the gate electrode to a certain extent.
  • the underside of the gate electrode can abut the top side of the first insulating layer completely. It is conceivable that a closed area adjoining the gate opening on the underside of the gate electrode is not covered by the first insulating layer and thus does not abut the first insulating layer. In other words, a frame of the gate opening on the underside can remain uncovered. Alternatively, depending on the design, it is conceivable that the first insulating layer abuts the underside of the gate electrode up to the gate opening.
  • the emitter needle is embedded in the first insulating layer, at least below the field-effect emission section. Embedded means that it is fully adjacent to each other.
  • the emission voltage can be, in particular, between greater than zero and less than or equal to 1000 V, especially between 1 V and 100 V, preferably 50 V.
  • the electrical potential of the field-effect emission section is typically more negative than the electrical potential of the gate electrode during electron emission. It is conceivable that the electrical potential of the gate electrode is 0 V or negative.
  • the second insulating layer has a bottom surface facing the emitter needle and a top surface facing away from the bottom surface, as well as a through-hole connecting the top and bottom surfaces of the second insulating layer.
  • the second insulating layer preferably covers at least part of the gate electrode. It is conceivable that a closed area adjoining the gate opening on the top surface of the gate electrode is not covered by the second insulating layer and thus does not abut it. In other words, a border around the gate opening on the top surface can remain uncovered. Alternatively, depending on the embodiment, it is conceivable that the second insulating layer abuts the top surface of the gate electrode in such a way that the through-hole of the second insulating layer and the gate opening have the same diameter and their centers coincide.
  • the pass-through opening of the second insulating layer is bounded by an inner wall of the second insulating layer.
  • the pass-through opening of the second insulating layer is preferably enclosed by the inner wall of the second insulating layer.
  • the pass-through opening of the second insulating layer is specifically designed to allow the passage of free electrons.
  • the second insulating layer can, in particular, consist of silicon dioxide.
  • the second insulating layer can, in particular, consist of an electrically non-conductive and/or a dielectric material.
  • the first insulating layer and the second insulating layer can consist of the same material.
  • the first insulating layer is more voluminous than the second insulating layer.
  • the second insulating layer typically has a thickness that is less than the thickness of the first insulating layer.
  • the second insulating layer in particular, has a dielectric strength of at least 100 V/ ⁇ m, preferably at least 400 V/ ⁇ m.
  • the focusing layer is, in particular, a focusing electrode.
  • the focusing layer has a bottom surface facing the emitter needle and a top surface facing away from the bottom surface, as well as a transmission aperture connecting the top and bottom surfaces of the focusing layer.
  • the focusing layer completely covers the top surface of the second insulating layer.
  • the transmission aperture of the focusing layer is bounded by an inner wall of the focusing layer.
  • the transmission aperture of the focusing layer is preferably enclosed by the inner wall of the focusing layer.
  • the transmission aperture of the focusing layer is specifically designed to allow the passage of free electrons.
  • a focusing voltage can be applied to the focusing layer to focus the free electrons generated in the field-effect emission section.
  • focusing means in particular, influencing the trajectories of the free electrons such that the spatial distribution of the emitted electrons perpendicular to the emission direction is changed, in particular increased and/or decreased.
  • the change can include an increase in the spatial distribution, also called defocusing, and a decrease in the spatial distribution, also called focusing.
  • the focusing layer is configured for focusing and defocusing the free electrons.
  • the focusing voltage can be, in particular, between -5000 V and +5000 V, especially between -1000 V and +1000 V, preferably 200 V or 50 V.
  • the electrical potential of the gate electrode is preferably more negative than the electrical potential of the focusing layer during electron emission.
  • the diameter of the gate opening and/or the diameter of the through-hole of the second insulating layer and/or the diameter of the through-hole of the focusing layer is particularly less than 100 ⁇ m, preferably less than 25 ⁇ m.
  • the diameter of the gate opening can be less than 10 ⁇ m.
  • the focusing layer is made of an electrically conductive material.
  • the electrical conductivity can be achieved by doping the focusing layer material and/or be inherent to the material.
  • the electrically conductive material can be a metal.
  • the focusing layer is made of tungsten to be more thermally resistant.
  • the thickness of a layer refers in particular to the extent in the emission direction and/or along the longitudinal center axis of the emitter needle.
  • the thickness of the first insulating layer is, in particular, greater than the thickness of the gate electrode and/or the second insulating layer and/or the focusing layer.
  • the thickness of the first insulating layer and/or the gate electrode and/or the second insulating layer and/or the focusing layer is typically constant.
  • the thickness of the first insulating layer is typically determined by the length of the emitter needle, which is regularly mechanically stabilized by the first insulating layer.
  • the first insulating layer is typically thick enough to isolate the voltage between the field-effect emission section and the gate electrode. Such a thickness is particularly important when the first insulating layer borders the inner wall of the gate opening.
  • the thickness of the gate electrode is particularly between 0.01 ⁇ m and 25 ⁇ m, preferably between 0.1 ⁇ m and 2.5 ⁇ m, and/or is, for example, 0.24 ⁇ m.
  • the thickness of the doped material can be 0.2 ⁇ m and the thickness of the cover layer 0.04 ⁇ m.
  • the thickness of the second insulating layer is particularly between 0.01 ⁇ m and 10 ⁇ m, preferably between 0.1 ⁇ m and 1 ⁇ m.
  • the thickness of the second insulating layer is particularly limited at the lower end by the dielectric strength of the second insulating layer, which depends in particular on the material and its thickness, and/or on the maximum focusing voltage.
  • the second insulating layer should preferably be at least thick enough to isolate the potential difference between the gate electrode and the focusing layer.
  • the thickness of the focusing layer is preferably between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m, and preferably between 1 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the focusing layer is advantageously as thick as possible to withstand thermal flashovers while still allowing free electrons to pass through.
  • the thickness of the second insulating layer is preferably greater than the thickness of the gate electrode.
  • the thickness of the focusing layer is preferably less than the thickness of the gate electrode.
  • the emitter needle's extension transverse to the longitudinal center axis is, for example, between 0.02 ⁇ m and 20 ⁇ m, particularly between 0.05 ⁇ m and 1 ⁇ m, advantageously 0.2 ⁇ m.
  • the first end of the emitter needle can, for example, extend into the gate opening to the midpoint of the gate electrode's thickness.
  • the diameter of the gate opening can be, for example, between 0.05 ⁇ m and 2 ⁇ m, in particular between 0.1 ⁇ m and 1 ⁇ m, advantageously 0.34 ⁇ m.
  • the gate opening and/or the through-hole of the second insulating layer and/or the through-hole of the focusing layer are, in particular, rotationally symmetrical.
  • the cross-section of the gate opening and/or the through-hole of the second insulating layer and/or the through-hole of the focusing layer can be polygonal, in particular quadrilateral, preferably square.
  • the center axis of the gate opening and/or the aperture of the second insulating layer and/or the aperture of the focusing layer can, in particular, coincide with the longitudinal center axis of the emitter needle.
  • the longitudinal center axis can, in particular, intersect the gate opening and/or the aperture of the second insulating layer and/or the aperture of the focusing layer at its center.
  • the longitudinal center axis is at a greater than zero distance and/or forms an angle greater than zero with the center axis of the gate opening and/or the aperture of the second insulating layer and/or the aperture of the focusing layer.
  • the diameter of the gate opening is smaller than the diameter of the focusing layer's aperture. This embodiment is particularly advantageous because it reduces the number of free electrons that strike the focusing layer and are then conducted away from it. This preferably reduces the gate current. In other words, it advantageously increases the proportion of free electrons that can strike the anode.
  • the diameter of the gate opening is smaller than the diameter of the through-hole of the second insulating layer. This embodiment is particularly advantageous because it reduces the charging of the second insulating layer by electrons striking it. This results in a smaller or even no electric field in the second insulating layer that could disrupt the trajectories of the free electrons.
  • the pass-through opening of the second insulating layer is designed to widen in the emission direction of the emitter needle.
  • the diameter of the pass-through opening of the second insulating layer increases with increasing distance from the gate electrode.
  • This embodiment is particularly advantageous because the spatial distribution of free electrons perpendicular to the emission direction increases in the immediate vicinity of the field-effect emission section.
  • the widening pass-through opening can advantageously compensate for this effect and, at the same time, advantageously provide optimal coverage of the gate electrode and reduce the input of electrons into the second insulating layer.
  • the passage opening of the second insulating layer is formed with a frustoconical inner wall and that the inner wall of the passage opening of the second insulating layer forms an angle greater than 0° and less than 60° with the longitudinal center axis.
  • This embodiment is particularly advantageous because the frustoconical inner wall is easy to manufacture and still offers the aforementioned advantages.
  • the passage opening of the focusing layer and the gate opening are typically cylindrical.
  • the center axes of the passage openings of the focusing layer, the second insulating layer, and the gate opening coincide, in particular, with the longitudinal center axis of the emitter needle.
  • the frustoconical inner wall of the second insulating layer is typically angled in the emission direction. limited by the underside of the focusing layer and/or, in particular, by the top side of the gate electrode, in the direction of emission.
  • One embodiment provides that the smallest diameter of the passage opening of the second insulating layer is larger than the largest diameter of the gate opening. This embodiment is particularly advantageous because the second insulating layer cannot interact with electrons propagating parallel to the emission direction. This embodiment is especially advantageous in combination with one of the two previous embodiments in which the passage opening of the second insulating layer widens in the emission direction.
  • One embodiment provides that the transition from the top surface of the gate electrode to an inner wall of the gate opening is arc-shaped.
  • An advantage of this embodiment is the resulting reduction in electric field strength at this transition.
  • the transition is, in particular, the ring-shaped edge from the top surface to the inner wall. In other words, in cross-section parallel to the emission direction, a corner between the inner wall of the gate opening and the top surface of the gate electrode is arc-shaped.
  • Arc-shaped means that the gate electrode is processed in such a way that the radius of the transition is intentionally increased. In other words, the sharpness of the transition is reduced, for example, by rounding.
  • Arc-shaped design means, in particular, that it is manufactured and/or post-processed in an arc-shaped manner.
  • first insulating layer and the second insulating layer abut each other through the gate opening.
  • first insulating layer can abut the second insulating layer and/or the second insulating layer can abut the first insulating layer.
  • the first insulating layer and the second insulating layer are preferably connected to each other without gaps, especially through the gate opening.
  • the first insulating layer and the second insulating layer are connected to each other, in particular, by a closed intermediate piece, which has a central through-hole for the emitter needle and/or the free electrons.
  • the intermediate piece can, in particular, be ring-shaped.
  • first insulating layer advantageously consists of made of the same material as the second insulating layer.
  • This embodiment advantageously improves the insulating properties of both the first and second insulating layers. Furthermore, this embodiment advantageously reduces the gate current flowing through the gate electrode.
  • the first end of the emitter needle has a protrusion greater than or equal to zero relative to the top surface of the gate electrode.
  • the protrusion is, for example, between 0.001 ⁇ m and 1 ⁇ m, particularly between 0.01 ⁇ m and 0.4 ⁇ m.
  • the protrusion of the first end refers in particular to the highest position of the emitter needle in the emission direction.
  • the outermost end of the emitter needle has the highest position relative to the emission direction, in particular the end of the tapered section.
  • the first end of the emitter needle is, in particular, flush with the top surface of the gate electrode. In this case, the first end of the emitter needle projects into the gate opening, but not beyond it.
  • the top surface of the gate electrode has no protrusion relative to the first end of the emitter needle.
  • the top of the gate electrode and the first end of the emitter needle are, in particular, at the same height.
  • the first end of the emitter needle is positioned above the top of the gate electrode. In this case, the first end of the emitter needle projects into and beyond the gate opening.
  • the positive protrusion makes fabricating the field-effect miter microstructure more challenging.
  • This embodiment advantageously allows for a reduction of the gate current flowing across the gate electrode due to the increased distance of the free electrons from the gate electrode, thereby increasing the probability that the free electrons are drawn away or accelerated towards the anode.
  • This embodiment is particularly advantageous in combination with the previous embodiment.
  • the intermediate piece can, in particular, abut the sides of the field-effect emission section.
  • the field-effect miter microstructure has at least one further emitter needle and at least one further gate opening, wherein the longitudinal center axis of the at least one further emitter needle is aligned with the at least one further gate opening parallel to the emission direction of the emitter needle.
  • a field-effect miter microstructure forms an array of field-effect emitters.
  • the number of emitter needles of the field-effect emitter microstructure can be greater than two, in particular greater than 100, preferably greater than 10,000 or 100,000, for example approximately 1,000,000.
  • the emitter needle and the at least one further emitter needle preferably form an emission surface for generating a current density of at least 1 A/cm2, advantageously at least 3 A/cm2, and particularly advantageously at least 10 A/cm2.
  • each emitter needle is associated with a gate opening.
  • the arrangement of the emitter needles relative to their respective gate openings is typically the same.
  • Multiple emitter needles can be arranged in a plane perpendicular to the emission direction.
  • the emitter needles can form a matrix with at least 2 x 2 in each spatial direction.
  • groups of emitter needles can be switched on and off together. It is conceivable that each emitter needle can be switched on and off independently of the other emitter needles. If certain regions of the field-effect miter microstructure can be switched on and off, the field-effect miter microstructure is, in particular, a segmented or pixelated emitter.
  • the gate electrode can have the gate opening and at least one other gate opening.
  • the gate electrode is continuous, i.e., not segmented.
  • the gate electrode can have the gate opening and at least one other gate electrode.
  • an emission voltage and/or different emission voltages can advantageously be applied to the two gate electrodes independently of each other. It is conceivable to subdivide the first insulating layer and/or second insulating layer and/or the focusing layer analogously to the gate electrode. For manufacturing purposes, it is advantageous if, in particular, the first insulating layer and/or the second insulating layer are continuous. For applying different focusing voltages, it may be advantageous to design the focusing layer as segmented, i.e., not continuous. Depending on the embodiment of the field-effect miter microstructure, the gate electrode and/or the first insulating layer and/or the second insulating layer and/or the focusing layer can be designed as either continuous or segmented.
  • the computer program product can be a computer program or comprise a computer program.
  • the computer program product includes the program code means that implement the process steps according to the invention. This allows the process according to the invention to be defined and executed repeatably, and enables control over the transfer of the process according to the invention.
  • the computer program product is preferably configured such that the computing unit can be controlled by means of the computer program product.
  • the inventive process steps can be carried out.
  • the program code means can, in particular, be loaded into a memory of the processing unit and typically executed by means of a processor of the processing unit with access to the memory.
  • the computer program product is, for example, stored on a physical, computer-readable medium and/or digitally stored as a data packet in a computer network.
  • the computer program product can represent the physical, computer-readable medium and/or the data packet in the computer network.
  • the invention can also start from the physical, computer-readable medium and/or the data packet in the computer network.
  • the physical, computer-readable medium is usually directly connectable to the processing unit, for example, by inserting the physical, computer-readable medium into a DVD drive or plugging it into a USB port, whereby the processing unit can access the physical, computer-readable medium, in particular for reading.
  • the data packet can preferably be retrieved from the computer network.
  • the computer network can contain the computing unit directly or be indirectly connected to it via a wide-area network (WAN) or a (wireless) local area network (WLAN or LAN) connection.
  • WAN wide-area network
  • WLAN wireless local area network
  • the computer program product can be stored digitally on a cloud server at a storage location within the computer network and transferred to the computing unit via the WAN over the internet and/or via WLAN or LAN, particularly by accessing a download link that points to the storage location of the computer program product.
  • FIG. 1 Figure 10 shows a field-effect miter microstructure 10 according to the invention in a longitudinal section along the emission direction R.
  • the field-effect miter microstructure 10 has an emitter needle 11.
  • the emitter needle 11 has a field-effect emission section 12 at one end.
  • the field-effect emitter microstructure 10 further comprises a gate electrode 13 with a gate opening 14.
  • the gate opening 14 connects a lower side of the gate electrode 13 facing the emitter needle 11 with a higher side of the gate electrode 13 facing away from the lower side.
  • the longitudinal center axis A of the emitter needle 11 is perpendicular to the gate electrode 13 and aligned with the gate opening 14 in the emission direction R.
  • the field-effect emitter microstructure 10 further comprises a first insulating layer 15.
  • the first insulating layer 15 borders the emitter needle 11 at least below the field-effect emission section 12. Fig. 1 not shown, and at least partially attached to the underside of the gate electrode 13. Free electrons can be generated in the field-effect emission section 12 by means of an emission voltage that can be applied between the gate electrode 13 and the field-effect emission section 12.
  • the field-effect emitter microstructure 10 further comprises a second insulating layer 16.
  • the second insulating layer 16 has a bottom side facing the emitter needle 11 and a top side facing away from the bottom side.
  • the field-effect emitter microstructure 10 further comprises an electrically conductive focusing layer 17.
  • the electrically conductive focusing layer 17 has a bottom surface facing the emitter needle 11 and a top surface facing away from the bottom surface.
  • the underside of the second insulating layer 16 borders at least partially on the top side of the gate electrode 13.
  • the top side of the second insulating layer 16 borders at least partially on the underside of the focusing layer 17.
  • the second insulating layer 16 and the focusing layer 17 each have a transmission aperture 18, 19 for the free electrons generated in the field-effect emission section 12.
  • the diameter of the emitter needle 11 is smaller than the diameter of the gate opening 14 and the diameter of the passage openings 18, 19.
  • the gate opening 14 and the passage openings 18, 19 are arranged centered around the longitudinal center axis A and have a constant diameter.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the field-effect miter microstructure 10 in a longitudinal section along the emission direction R.
  • the diameter of the gate opening 14 is smaller than the diameter of the passage opening 19 of the focusing layer 17.
  • the diameter of the gate opening 14 is smaller than the diameter of the passage opening 18 of the second insulating layer 16.
  • the smallest diameter The diameter of the passage opening 18 of the second insulation layer 16 is larger than the largest diameter of the gate opening 14.
  • the passage opening 18 of the second insulating layer 16 widens in the emission direction R of the emitter needle 11.
  • the passage opening 18 of the second insulating layer 16 has a frustoconical inner wall.
  • the inner wall of the passage opening 18 of the second insulating layer 16 forms an angle ⁇ greater than 0° and less than 60° with the longitudinal center axis A.
  • the transition from the top surface of the gate electrode 13 to the inner wall of the gate opening 14 is arc-shaped.
  • the second insulating layer 16 has a dielectric strength of at least 100 V/ ⁇ m, preferably at least 400 V/ ⁇ m.
  • the focusing layer 18 can be made of tungsten.
  • Fig. 3 shows the initial operating behavior of the first embodiment.
  • Fig. 3 The field components of the electric field resulting from a focusing voltage of 200 V, starting from 0 V in the focusing layer, and an emission voltage of 50 V, starting from -200 V at the gate electrode, are shown in sections. The respective electrical potentials are shown in Fig. 3 depicted.
  • the insulating distance is represented by a double arrow.
  • the insulating distance is the distance that a focusing layer 17, e.g., melted by a flashover, must bridge in order to exert a disruptive influence on the gate electrode 13 and/or the emitter needle 11.
  • Fig. 4 shows a second (left) and a third (right) operating behavior of the first embodiment.
  • FIG. 4 The field components of the electric field resulting from a focusing voltage of 0 V, starting from 0 V in the focusing layer, and an emission voltage of 50 V, starting from 0 V at the gate electrode, are shown in section.
  • the field components of the electric field are shown in part, which consists of a focusing voltage of -10 V, starting from 0 V in the focusing layer, and an emission voltage of 50 V, starting from of 10 V at the gate electrode.
  • the respective electrical potentials are in Fig. 4 depicted.
  • FIG. 5 A second embodiment of the field-effect miter microstructure 10 is shown in a longitudinal section along the emission direction R.
  • the first insulating layer 15 and the second insulating layer 16 abut each other through the gate opening 14.
  • the entire gate opening 14 can be shown to be completely filled with the first insulating layer 15 and/or the second insulating layer 16 as well as with the emitter needle 11. Alternatively, it is conceivable that the gate opening 14 is not completely filled with the first insulating layer 15 and/or the second insulating layer 16.
  • the first end of the emitter needle 11 has a greater than zero protrusion relative to the top surface of the gate electrode 13.
  • the field-effect emission section 12 has a greater than zero protrusion relative to the top surface of the gate electrode 13.
  • the emitter needle 11 protrudes from and/or through the gate opening 14.
  • the first end of the emitter needle 11 has a zero protrusion relative to the top surface of the gate electrode, so that the first end of the emitter needle 11 is flush with the top surface of the gate electrode.
  • FIG. 6 Figure 1 shows a third embodiment of the field-effect miter microstructure 10 in a longitudinal section along the emission direction R.
  • the representation of the Fig. 6 is not to scale.
  • the field-effect median microstructure 10 has at least one further emitter needle 11.1, ... 11.N and at least one further gate opening 14.1, ... 14.N.
  • the longitudinal center axis A.1, ... A.N of the at least one further emitter needle 11.1, ... 11.N is aligned with the at least one further gate opening 14.1, ... 14.N parallel to the emission direction R of the emitter needle 11.
  • Fig. 7 shows an electron emitter device 20 according to the invention in a block diagram.
  • the electron emitter device 20 comprises a field-effect transmitter microstructure 10 and a voltage source 21.
  • the voltage source 21 is connected to the field-effect transmitter microstructure 10 to provide an emission voltage and/or a focusing voltage.
  • Fig. 8 shows an X-ray tube 30 according to the invention in a block diagram.
  • the X-ray tube 30 has a housing 31.
  • the housing 31 has an evacuable interior 32.
  • the X-ray tube 30 also includes an electron emitter device 20.
  • the electron emitter device 20 is arranged in the interior space 32.
  • the X-ray tube 30 also has an anode 33.
  • the anode 33 is arranged in the interior 32 and is designed to generate X-rays depending on free electrons that can be generated by means of the electron emitter device 20.
  • FIG. 9 The figure shows a method according to the invention for generating X-rays using an X-ray tube in a flowchart.
  • Process step S100 characterizes the application of an emission voltage between the gate electrode 13 and the emitter needle 11 to generate free electrons.
  • Process step S101 characterizes the application of a focusing voltage between the focusing layer 17 and the gate electrode 13 to focus the free electrons.
  • Process step S102 characterizes the generation of X-rays by means of the anode 33 of the X-ray tube 30 by interaction with the focused free electrons.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feldeffektemittermikrostruktur, eine Elektronenemittervorrichtung, eine Röntgenröhre und ein Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre.
Die erfindungsgemäße Feldeffektemittermikrostruktur für eine Röntgenröhre weist
- eine Emitternadel,
- eine Gateelektrode mit einer Gateöffnung, wobei die Längsmittenachse der Emitternadel senkrecht zur Gateelektrode auf die Gateöffnung in Emissionsrichtung ausgerichtet ist, und
- eine erste Isolationsschicht auf,
- wobei mittels einer zwischen der Gateelektrode und dem Feldeffektemissionsabschnitt anlegbaren Emissionsspannung freie Elektronen im Feldeffektemissionsabschnitt erzeugbar sind, und ist gekennzeichnet durch
- eine zweite Isolationsschicht,
- eine elektrisch leitfähige Fokussierschicht,
- wobei die Unterseite der zweiten Isolierschicht an die Oberseite der Gateelektrode zumindest teilweise angrenzt,
- wobei die Oberseite der zweiten Isolierschicht an die Unterseite der Fokussierschicht zumindest teilweise angrenzt,
- wobei die zweite Isolationsschicht sowie die Fokussierschicht jeweils eine Durchlassöffnung für die im Feldeffektemissionsabschnitt erzeugbaren freien Elektronen aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Feldeffektemittermikrostruktur, eine Elektronenemittervorrichtung, eine Röntgenröhre und ein Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre.
  • Feldeffektemittermikrostrukturen als Elektronenquellen im Vakuum sind grundsätzlich bekannt. Insbesondere bei der Verwendung als Elektronenemitter in evakuierten Röntgenröhren sind Feldeffektemittermikrostrukturen vorteilhaft aufgrund ihrer schnellen Schaltbarkeit, der Möglichkeit einer Pixelierung der Emissionsfläche und/oder der je nach Ausgestaltung vergleichsweise hohen Elektronenemissionsstromdichte. Beispielsweise offenbaren Guerrera et al. Silizium-Feldeffektemittermikrostrukturen mit einer Elektronenemissionsdichte über 100 A / cm^2 in "Silicon Field Emitter Arrays With Current Densities Exceeding 100 A/cm^2 at Gate Voltages Below 75 V" (IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 37, NO. 1, JANUARY 2016).
  • Ein typisches Problem beim Betrieb von Feldeffektemittermikrostrukturen ist insbesondere der über die Gateelektrode abfließende Strom, gebildet von einem Teil der durch die Emitternadeln fließenden Elektronen. Ursächlich für diesen Gatestrom ist beispielsweise ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen einer Gateelektrode der Feldeffektemittermikrostruktur und einer Emitternadel der Feldeffektemittermikrostruktur aufgrund eines fehlerhaften Produktionsprozesses und/oder einer mechanischen Beschädigung. Alternativ oder zusätzlich können Verunreinigungen Emitternadeln mit der Gateelektrode verbinden. Aufgrund überhöhter Ströme durch einzelne Emitternadeln können Beschädigungen in Form einer leitenden Verbindung zur Gateelektrode entstehen. Solche leitenden Verbindungen können alternativ oder zusätzlich durch Hochspannungsüberschläge auf die Feldeffektemittermikrostruktur entstehen. Ein weiteres Beispiel betrifft, dass ein Gatestrom ohne direkte, leitende Verbindung zwischen Gateelektrode und Emitternadel, nämlich durch eine Aufstreuung der emittierten Elektronen entstehen kann, wobei ein Teil der aufgestreuten Elektronen über die Gateelektrode abfließt.
  • Ein Hochspannungsüberschlag hat typischerweise wahlweise folgende Auswirkungen:
    • die Gateelektrode kann verdampfen, so dass zu den darunterliegenden Emitternadeln keine Emissionsspannung aufbaubar ist. In diesem Fall kann vorteilhafterweise ein unbeschädigter Teil der Feldeffektemittermikrostruktur weiterhin freie Elektronen erzeugen.
    • die Gateelektrode kann aufschmelzen und die Gateöffnungen verschließen, so dass an den darunterliegenden Emitternadeln generierte Elektronen auf die zusammengeschmolzene Gateelektrode auftreffen, welche dadurch letztlich verdampfen kann.
    • die Gateelektrode kann aufschmelzen und eine elektrisch leitfähige Verbindung zu einer Emitternadel herstellen, so dass keine Emissionsspannung zwischen Gateelektrode und typischerweise allen Emitternadeln aufgrund des elektrischen Schlusses aufbaubar ist, weswegen die gesamte Feldeffektemittermikrostruktur typischerweise keine Elektronen mehr generieren kann.
  • R. F. Asadi, T. Zheng, J. Da Silva, G. Rughoobur, A. I. Akinwande and B. Gnade, beschreiben in "Failure Mode of Si Field Emission Arrays based on Emission Pattern Analysis," 2021 34th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC), Lyon, France, 2021, pp. 1-2, doi: 10.1109/IVNC52431.2021.9600740, dass grundsätzlich einzelne Fehler, insbesondere zuvor beschriebene Beschädigungen, regelmäßig negative Auswirkungen auf die gesamte Feldeffektemittermikrostruktur haben, da üblicherweise die Emissionsspannung beeinträchtigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Feldeffektemittermikrostruktur, eine Elektronenemittervorrichtung, eine Röntgenröhre und ein Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre mit erhöhtem Schutz anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Feldeffektemittermikrostruktur für eine Röntgenröhre weist
    • eine Emitternadel, wobei die Emitternadel an einem ersten Ende einen Feldeffektemissionsabschnitt aufweist,
    • eine Gateelektrode mit einer Gateöffnung, wobei die Gateöffnung eine der Emitternadel zugewandte Unterseite der Gateelektrode mit einer der Unterseite abgewandten Oberseite der Gateelektrode verbindet, wobei die Längsmittenachse der Emitternadel senkrecht zur Gateelektrode auf die Gateöffnung in Emissionsrichtung ausgerichtet ist, und
    • eine erste Isolationsschicht auf, welche an die Emitternadel zumindest unterhalb des Feldeffektemissionsabschnitts und an die Unterseite der Gateelektrode zumindest teilweise angrenzt,
    • wobei mittels einer zwischen der Gateelektrode und dem Feldeffektemissionsabschnitt anlegbaren Emissionsspannung freie Elektronen im Feldeffektemissionsabschnitt erzeugbar sind, und ist gekennzeichnet durch
    • eine zweite Isolationsschicht mit einer der Emitternadel zugewandten Unterseite und einer der Unterseite abgewandten Oberseite,
    • eine elektrisch leitfähige Fokussierschicht mit einer der Emitternadel zugewandten Unterseite und einer der Unterseite abgewandten Oberseite,
    • wobei die Unterseite der zweiten Isolierschicht an die Oberseite der Gateelektrode zumindest teilweise angrenzt,
    • wobei die Oberseite der zweiten Isolierschicht an die Unterseite der Fokussierschicht zumindest teilweise angrenzt,
    • wobei die zweite Isolationsschicht sowie die Fokussierschicht jeweils eine Durchlassöffnung für die im Feldeffektemissionsabschnitt erzeugbaren freien Elektronen aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Elektronenemittervorrichtung weist
    • eine Feldeffektemittermikrostruktur und
    • eine mit der Feldeffektemittermikrostruktur verschaltete Spannungsquelle zum Bereitstellen einer Emissionsspannung und/oder einer Fokussierspannung auf.
  • Die erfindungsgemäße Röntgenröhre weist
    • ein Gehäuse mit einem evakuierbaren Innenraum,
    • eine Elektronenemittervorrichtung in dem Innenraum und
    • eine Anode in dem Innenraum zur Generierung von Röntgenstrahlen in Abhängigkeit von mittels der Elektronenemittervorrichtung generierbaren freien Elektronen auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre umfasst die Schritte:
    • Anlegen einer Emissionsspannung zwischen der Gateelektrode und der Emitternadel zum Erzeugen von freien Elektronen,
    • Anlegen einer Fokussierspannung zwischen der Fokussierschicht und der Gateelektrode zum Fokussieren der freien Elektronen,
    • Generieren von Röntgenstrahlen mittels der Anode der Röntgenröhre durch ein Wechselwirken mit den fokussierten freien Elektronen.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die freien Elektronen mittels der Fokussierschicht fokussiert werden können. In diesem Fall kann die herkömmliche Ablenkungseinheit für ein elektrostatisches oder elektromagnetisches Fokussieren der Elektronen vorzugsweise entfallen. Die Fokussierschicht ist besonders vorteilhaft aufgrund ihrer räumlichen Nähe zum Feldeffektemissionsabschnitt im Vergleich zu einer herkömmlichen Ablenkungseinheit und daher besonders für das Fokussieren geeignet. Nahe am Feldeffektemissionsabschnitt kann mittels einer im Vergleich zu einer herkömmlichen Fokussierspannung geringen elektrischen Feldkomponente in fokussierender Richtung die Fokussierung der Elektronen erfolgen, insbesondere da diese noch eine geringe Geschwindigkeit aufweisen. Vorzugsweise kann eine hinreichende Fokussierung mit moderaten Fokussierspannungen erreicht werden, währenddessen die Hauptkomponente des Feldes eine Beschleunigung der Elektronen hervorruft.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Fokussierung ein Teil der herkömmlicherweise auf die Gateelektrode fliegenden freien Elektronen abgelenkt wird und dadurch der Gatestrom verringert wird. Dies ist gerade für Ausführungen vorteilhaft, bei denen der Strom der freien Elektronen bis zu 100 A / cm^2 maximiert wird. Dieser Vorteil gilt insbesondere bei Feldeffektemittermikrostrukturen mit Emitternadeln aus Silizium im Vergleich zu Feldeffektemittermikrostrukturen mit Emitternadeln aus Kohlenstoff, wobei letztere typischerweise eine extern liegende Gitterelektrode in größerer Entfernung zu den Emitternadeln haben.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft, dass die Fokussierschicht anstatt der Gateelektrode gegenüber der Anode im Vergleich zu einer herkömmlichen Feldeffektemittermikrostruktur exponiert ist. Daraus folgt, dass vorteilhafterweise bei einem Spannungsüberschlag von der Anode auf die Feldeffektemittermikrostruktur in erster Linie die Fokussierschicht beschädigt wird. Zumindest ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Spannungsüberschlag die Fokussierschicht und nicht die Gateelektrode bzw. die Emitternadel trifft, deutlich erhöht. Idealerweise wirkt sich ein solcher Spannungsüberschlag also gar nicht oder erst ein vergleichsweise starker Überschlag auf die Gateelektrode aus. Wenn die Fokussierschicht beschädigt wird, wird typischerweise lediglich das Fokussieren der Elektronen beeinträchtigt oder verhindert. Im Gegensatz zur Beschädigung der Gateelektrode einer herkömmlichen Feldeffektemittermikrostruktur, welche zum Ausfall der gesamten Feldeffektemittermikrostruktur führen kann. Beispielsweise müsste eine aufgeschmolzene Fokussierschicht weiterhin die Isolierstrecke entlang der zweiten Isolationsschicht überbrücken, bevor der Überschlag indirekten, negativen Einfluss auf die Gateelektrode und/oder die Emitternadel ausüben kann.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist weiter, dass die Fokussierschicht quasi beliebig dick derart ausgeführt werden kann, um eine hohe thermische Belastbarkeit, wie sie bei Spannungsüberschlägen vonnöten sein kann, aufzuweisen. Vorteilhafterweise können die bei einem Spannungsüberschlag auftretenden Ströme ohne Beschädigung der Feldeffektemittermikrostruktur abgeleitet werden.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur ist derart für eine Röntgenröhre geeignet, dass mittels der Feldeffektemittermikrostruktur generierte Elektronen betragsmäßig solche Röhrenströme im Vakuum bilden, welche zur Bildgebung und/oder einer therapeutischen Anwendung mittels der an der Anode erzeugten Röntgenstrahlung ausreichen. Im Brennfleck auf der Anode ist je nach Anwendung eine Stromdichte von bis zu ca. 10 A / cm^2 nötig. Herkömmliche, thermionische Emitter weisen Stromdichten von ca. 3 A / cm^2 auf, weshalb der herkömmliche, thermionische Emitter nicht direkt auf den Brennfleck abgebildet werden kann. Erfindungsgemäße Feldeffektemittermikrostrukturen hingegen können Emissionsflächen aufweisen, welche Stromdichten von beispielsweise bis zu 100 A / cm^2 erreichen. Eine direkte Abbildung wäre beispielsweise mittels einer geeigneten Fokussierung also grundsätzlich möglich. Die Bildgebung kann insbesondere eine Computertomographie, eine Angiographie, eine Mammographie, eine konventionelle Radiographie, eine bildgestützte Werkstoffprüfung und/oder eine bildgestützte Zollkontrolle sein. Die therapeutische Anwendung der Röntgenstrahlen kann insbesondere eine Strahlentherapie sein.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur betrifft im Wesentlichen eine Anordnung von Mikrostrukturbauteilen, insbesondere der Emitternadel, der Gateelektrode, der ersten Isolationsschicht, der zweiten Isolationsschicht und der elektrisch leitfähigen Fokussierschicht, relativ zueinander. Die Feldeffektemittermikrostruktur weist insbesondere Strukturen im Mikrometerbereich oder Nanometerbereich auf. Die Feldeffektemittermikrostruktur ist insbesondere ein Mikrostrukturbauteil. Die Feldeffektemittermikrostruktur kann ein Halbleiterbauteil sein. Die Feldeffektemittermikrostruktur kann insbesondere von einem Halbleiterfertiger hergestellt sein.
  • Eine Feldeffektemittermikrostruktur mit nur einer einzigen Emitternadel ist im Vergleich zu einem herkömmlichen thermionischen Elektronenemitter regelmäßig um mindestens eine Größenordnung in seinen Ausdehnungen kleiner. Eine Feldeffektemittermikrostruktur mit mehreren Emitternadeln, insbesondere mit einer Vielzahl an Emitternadeln, kann die im Wesentlichen gleichen Ausdehnungen wie ein herkömmlicher thermionischer Elektronenemitter aufweisen.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur weist insbesondere Anschlüsse für ein Abgreifen der Emissionsspannung und/oder der Fokussierspannung auf. Beispielsweise kann die Gateelektrode einen Anschluss für das Abgreifen eines ersten Potentials der Emissionsspannung aufweisen. Beispielsweise kann die Emitternadel und/oder eine elektrische Zuführung an die Emitternadel einen Anschluss für das Abgreifen eines zweiten Potentials der Emissionsspannung aufweisen. Typischerweise weist die erste Fokussierschicht einen Anschluss für das Abgreifen eines ersten Potentials der Fokussierspannung auf. Je nach Bezugspunkt der Fokussierspannung kann der Anschluss der Emitternadel oder der Anschluss der Gateelektrode ein zweites Potential der Fokussierspannung abgreifen. Definitionsgemäß liegt die Fokussierspannung zwischen der Fokussierschicht und der Gateelektrode an.
  • Die Spannungsquelle der Elektronenemittervorrichtung kann vorzugsweise die Emissionsspannung und/oder die Fokussierspannung erzeugen und an den Anschlüssen der Feldeffektemittermikrostruktur bereitstellen. Für das Bereitstellen kann die Spannungsquelle Zuführungen, insbesondere Zuleitungen und/oder Leiterbahnen, aufweisen. Durch das Bereitstellen einer erzeugten Spannung an den Anschlüssen wird die erzeugte Spannung angelegt.
  • Das Gehäuse der Röntgenröhre weist typischerweise Metall und/oder Glas auf. Das Gehäuse der Röntgenröhre kann typischerweise mittels eines Mediums, welches mit der Außenseite des Gehäuses wechselwirkt, im Betrieb der Röntgenröhre temperiert, vorzugsweise gekühlt, und/oder elektrisch isoliert sein. Das Gehäuse der Röntgenröhre ist insbesondere hochspannungsfest. Der Innenraum des Gehäuses kann evakuiert sein. Das Gehäuse kann eine Vorrichtung aufweisen, beispielsweise eine Gehäuseöffnung und/oder ein Ventil, um den Innenraum zu evakuieren. Das Vakuum im Innenraum ist typischerweise ein Hochvakuum. Die Elektronenemittervorrichtung sowie die Anode sind typischerweise innerhalb des Innenraums gegenüber voneinander angeordnet.
  • Zwischen der Anode und der Elektronenemittervorrichtung, welche typischerweise die Kathode bildet, liegt typischerweise eine Hochspannung zur Beschleunigung der freien Elektronen an. Die Hochspannung kann beispielsweise bis zu 200 kV, typischerweise zwischen 20 und 150 kV betragen. Die Hochspannung wird typischerweise von einer Hochspannungsquelle erzeugt und/oder an der Anode bzw. Kathode bereitgestellt. Nach der Beschleunigung wechselwirken die Elektronen mit der Anode, um die Röntgenstrahlen zu generieren. Die Anode kann insbesondere eine Drehanode oder eine Stehanode sein. Alternativ ist es denkbar, dass die Anode gemeinsam mit dem Gehäuse drehbar gelagert ist. In diesem Fall sind die Anode und das Gehäuse typischerweise drehfest miteinander verbunden. Der Anode kann vorteilhafterweise ein Vorwiderstand vorgeschaltet sein, um einen Kurzschlussstrom durch die Fokussierschicht zu begrenzen.
  • Die Emitternadel ist insbesondere ein Feldeffektemitter. Die Emitternadel ist typischerweise ein Nano- oder Mikrostrukturbauteil. Die Emitternadel kann alternativ als Nanoröhrchen bezeichnet sein. Bekannt ist beispielsweise auch der Begriff Carbon-Nano-Tube für Emitternadeln aus Kohlenstoff. Die Emitternadel ist typischerweise elektrisch leitfähig und/oder ein Halbleiter. Die Emitternadel kann aus Kohlenstoff oder Silizium oder einem anderen Material bestehen. Vorzugsweise ist die Emitternadel in der Art wie von Guerrera et al. beschrieben als Silizium-Emitternadel ausgestaltet.
  • Die Emitternadel ist eine längliche und schmale Säule. Die Emitternadel kann typischerweise in zwei funktionale Abschnitte unterteilt werden. An dem ersten Ende ist der Feldeffektemissionsabschnitt angeordnet, aus welchem mittels des Feldeffekts Elektronen aus der Emitternadel heraus austreten können, um sie als freie Elektronen von der Emitternadeln wegbewegen zu können. An dem zweiten Ende ist beispielsweise ein Verbindungsabschnitt angeordnet, welcher der Durchleitung der Elektronen von einer Stromquelle hin zum Feldeffektemissionsabschnitt dient und typischerweise nicht, und/oder kaum zur Elektronenemission beiträgt. Der Verbindungsabschnitt kann insbesondere zur Zuführung eines elektrischen Potentials der Emissionsspannung an den Feldeffektemissionsabschnitt ausgebildet sein. Die Emitternadel kann zusätzlich eine Strombegrenzungseinheit aufweisen, welche insbesondere vor dem Feldeffektemissionsabschnitt, beispielsweise zwischen dem Feldeffektemissionsabschnitt und dem Verbindungsabschnitt, angeordnet ist, um einen Stromfluss durch die Emitternadel begrenzen zu können. Insbesondere kann die Strombegrenzungseinheit ein Transistor oder ein anderer Schalter sein. Die Strombegrenzungseinheit kann an dem zweiten Ende der Emitternadel angeordnet sein.
  • Die Emitternadel kann insbesondere stiftförmig sein. Die Emitternadel kann üblicherweise in zwei geometrische Abschnitte, insbesondere einen Abschnitt mit konstantem, insbesondere runden oder mehreckigen, Querschnitt und einen spitz zulaufenden Abschnitt, unterteilt werden. Der Verbindungsabschnitt ist typischerweise Teil des zylindrischen Abschnitts. Der Feldeffektemissionsabschnitt ist typischerweise Teil des spitz zulaufenden Abschnitts. Typischerweise treten die meisten Elektronen an der äußersten Spitze bzw. dem der äußersten Spitze benachbarten Bereich des spitz zulaufenden Abschnitts der Emitternadel aus. Der von dem spitz zulaufenden Abschnitt mit der Längsmittenachse eingeschlossene Winkel kann beispielsweise 30° betragen.
  • Die Emissionsrichtung der Emitternadel liegt typischerweise auf der Längsmittenachse der Emitternadel. Die Emissionsrichtung ist typischerweise von dem Feldeffektemissionsabschnitt weg in Richtung der Fokussierschicht. Die Emissionsrichtung wird insbesondere durch den spitz zulaufenden Abschnitt der Emitternadel angezeigt.
  • Die Gateelektrode ist insbesondere eine Gateelektrodenschicht. Die Gateelektrode ist elektrisch leitfähig, insbesondere aus einem Metall oder aus einem dotierten Material, auf welches eine metallische Deckschicht aufgetragen sein kann.
  • Die Gateelektrode weist insbesondere die Gateöffnung, die der Emitternadel zugewandte Unterseite und die der Unterseite abgewandte Oberseite auf. Die Gateöffnung ist ein Hohlraum, welcher insbesondere die Unterseite der Gateelektrode mit ihrer Oberseite verbindet und/oder von einer Innenwand der Gateelektrode begrenzt ist. Die Gateöffnung ist vorzugsweise umhüllt von der Innenwand der Gateelektrode.
  • Im Folgenden wird der Begriff Durchmesser unter der Maßgabe verwendet, dass der Durchmesser grundsätzlich in der Ebene der jeweiligen Schicht definiert ist und dass bei nicht runden Einheiten, insbesondere Öffnungen, der maximale Durchmesser betrachtet wird. Insofern Einheiten, beispielsweise Öffnungen, senkrecht zu der jeweiligen Schicht, beispielsweise in Emissionsrichtung und/oder entlang der Längsmittenachse der Emitternadel, variierende Durchmesser aufweisen, bezieht sich der Durchmesser, falls nicht anders angegeben, auf einen mittleren Durchmesser, gebildet aus den (maximalen) ortsabhängigen, variierenden Durchmessern. Der mittlere Durchmesser ist insbesondere ein arithmetischer Mittelwert.
  • Die Gateöffnung ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Gateöffnung umfasst vorzugsweise ein zylindrisches Volumen. Die Gateöffnung weist insbesondere einen kreisrunden Querschnitt auf. Üblicherweise ist ein Durchmesser der Gateöffnung größer als ein Durchmesser quer zur Längsmittenachse der Emitternadel. Die Gateöffnung ist insbesondere für ein Durchlassen von den freien Elektronen ausgebildet.
  • Die Gateelektrode ist insbesondere senkrecht zur Emitternadel derart ausgerichtet, dass die Längsmittenachse der Emitternadel den Querschnitt der Gateöffnung vorzugsweise mittig schneidet. Die Gateelektrode und die Emitternadel sind näherungsweise T-förmig angeordnet. Den langen Schenkel bildet insbesondere die Emitternadel, welche die Gateelektrode mittig in der Gateöffnung in näherungsweise zwei kleine Schenkel aufteilt. Die Gateelektrode und die Emitternadeln sind nicht miteinander elektrisch verbunden. Die Emitternadel bzw. die Längsmittenachse der Emitternadel schneidet die Gateelektrode in ihrer Gateöffnung insbesondere ohne elektrisch leitfähige Verbindung. Vorzugsweise fallen die Mittenachse der Gateöffnung und die Längsmittenachse der Emitternadel zusammen.
  • In der vorliegenden Anmeldung bedeutet angrenzen, dass eine Einheit, insbesondere eine Schicht, welche an eine andere Einheit, insbesondere eine andere Schicht, angrenzt, mit dieser anderen Einheit vollflächig und berührend in Kontakt steht. Aneinander angrenzende Einheiten bzw. Schichten weisen typischerweise dazwischen keine Hohlräume, sondern, wenn überhaupt, fertigungstechnisch bedingte minimale Zwischenräume im Nano- oder Mikrometerbereich auf.
  • Dass eine Einheit, insbesondere eine Schicht, an eine andere Einheit, insbesondere eine andere Schicht, zumindest teilweise angrenzt, schließt insbesondere ein, dass die andere Einheit an die Einheit zumindest teilweise angrenzt, und kann bedeuten, dass die andere Einheit an die Einheit vollständig angrenzt. In anderen Worten hängt es von den Ausdehnungen und/oder der jeweiligen Anordnung der Einheiten bzw. der Schichten relativ zueinander ab, ob je nach Perspektive die eine an die andere lediglich nur teilweise und die andere an die eine vollständig angrenzt. Bei der Beurteilung, ob eine teilweise oder vollständige Angrenzung vorliegt, werden in der vorliegenden Anmeldung insbesondere die Bereiche um die Gateöffnung bzw. die jeweilige Durchlassöffnung herum betrachtet. Der Grad der Angrenzung beschreibt insbesondere einen Anteil der Abdeckung und insbesondere nicht eine Qualität der Verbindung zueinander.
  • Die erste Isolationsschicht ist insbesondere für eine elektrische Isolation der Emitternadel in Bezug auf die Gateelektrode und umgekehrt geeignet. Die erste Isolationsschicht koppelt regelmäßig nicht leitfähig, sondern in erster Linie mechanisch die Emitternadel und die Gateelektrode.
  • Die erste Isolationsschicht besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid. Die erste Isolationsschicht besteht insbesondere aus einem elektrisch nicht leitfähigen und/oder einem dielektrischen Material. Die erste Isolationsschicht ist insbesondere ein Körper, durch welchen die Emitternadel relativ zur Gateelektrode ausgerichtet werden kann, ohne dabei eine elektrische Verbindung dazwischen herzustellen. Die erste Isolationsschicht kann als Isolationsmatrix bezeichnet werden.
  • In Bezug auf die T-förmige Anordnung der Gateelektrode und der Emitternadel füllt die erste Isolationsschicht insbesondere die Halbräume unterhalb der kurzen Schenkel der Gateelektrode bis hin zur Emitternadel auf. Herkömmlicherweise ist typischerweise der zylindrische Abschnitt der Emitternadel vollständig von der ersten Isolationsschicht umgeben. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der spitz zulaufende Abschnitt der Emitternadel zumindest teilweise an die erste Isolationsschicht angrenzt.
  • Es kann sein, dass die erste Isolationsschicht über die Gateelektrode hinausragt oder umgekehrt. Die erste Isolationsschicht weist die der Gateelektrode zugewandte Oberseite und die der Oberseite abgewandte Unterseite auf. Dass die erste Isolationsschicht zumindest teilweise an die Unterseite der Gateelektrode angrenzt, bedeutet insbesondere, dass die Oberseite der ersten Isolationsschicht zu einem gewissen Teil nicht an die Unterseite der Gateelektrode angrenzt. Die Unterseite der Gateelektrode kann vollständig an die Oberseite der ersten Isolationsschicht angrenzen. Es ist denkbar, dass ein an die Gateöffnung anschließender, geschlossener Bereich auf der Unterseite der Gateelektrode nicht von der ersten Isolationsschicht bedeckt ist und somit nicht an die erste Isolationsschicht angrenzt. In anderen Worten kann ein Rahmen der Gateöffnung auf der Unterseite freibleiben. Alternativ ist es je nach Ausgestaltung denkbar, dass die erste Isolationsschicht bis hin zur Gateöffnung an die Unterseite der Gateelektrode angrenzt.
  • Die Emitternadel ist zumindest unterhalb des Feldeffektemissionsabschnitts in die erste Isolationsschicht eingebettet. Eingebettet bedeutet ein vollflächiges aneinander angrenzen.
  • Die Emissionsspannung kann insbesondere zwischen größer null und kleiner gleich 1000 V, insbesondere zwischen 1 V und 100 V, liegen, vorzugsweise 50 V betragen. Das elektrische Potential des Feldeffektemissionsabschnitts ist typischerweise während der Elektronenemission negativer als das elektrische Potential der Gateelektrode. Es ist denkbar, dass das elektrische Potential der Gateelektrode 0 V beträgt oder negativ ist. Durch das Anlegen der Emissionsspannung treten im Feldeffektemissionsabschnitt regelmäßig Elektronen aus der Emitternadel aus.
  • Die zweite Isolationsschicht weist die der Emitternadel zugewandte Unterseite und die der Unterseite abgewandte Oberseite sowie die Durchlassöffnung auf, welche die Oberseite der zweiten Isolationsschicht und die Unterseite der zweiten Isolationsschicht verbindet. Die zweite Isolationsschicht bedeckt die Gateelektrode vorzugsweise zumindest teilweise. Es ist denkbar, dass ein an die Gateöffnung anschließender, geschlossener Bereich auf der Oberseite der Gateelektrode nicht von der zweiten Isolationsschicht bedeckt ist und somit nicht an die zweite Isolationsschicht angrenzt. In anderen Worten kann ein Rahmen der Gateöffnung auf der Oberseite freibleiben. Alternativ ist es je nach Ausgestaltung denkbar, dass die zweite Isolationsschicht derart an die Oberseite der Gateelektrode angrenzt, dass die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht sowie die Gateöffnung den gleichen Durchmesser aufweisen sowie deren Mittenachsen zusammenfallen.
  • Die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht wird von einer Innenwand der zweiten Isolationsschicht begrenzt. Die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht ist vorzugsweise umhüllt von der Innenwand der zweiten Isolationsschicht. Die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht ist insbesondere für ein Durchlassen von den freien Elektronen ausgebildet.
  • Die zweite Isolationsschicht kann insbesondere aus Siliziumdioxid bestehen. Die zweite Isolationsschicht besteht insbesondere aus einem elektrisch nicht leitfähigen und/oder einem dielektrischen Material. Die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht können aus demselben Material bestehen. Typischerweise ist die erste Isolationsschicht voluminöser als die zweite Isolationsschicht. Die zweite Isolationsschicht weist typischerweise eine Dicke auf, welche geringer ist als eine Dicke der ersten Isolationsschicht. Die zweite Isolationsschicht weist insbesondere eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 100 V / µm, vorzugsweise mindestens 400 V / µm auf.
  • Die Fokussierschicht ist insbesondere eine Fokussierelektrode. Die Fokussierschicht weist die der Emitternadel zugewandte Unterseite und die der Unterseite abgewandte Oberseite sowie die Durchlassöffnung auf, welche die Oberseite der Fokussierschicht und die Unterseite der Fokussierschicht verbindet. Vorteilhafterweise bedeckt die Fokussierschicht die Oberseite der zweiten Isolationsschicht vollständig. Die Durchlassöffnung der Fokussierschicht wird von einer Innenwand der Fokussierschicht begrenzt. Die Durchlassöffnung der Fokussierschicht ist vorzugsweise umhüllt von der Innenwand der Fokussierschicht. Die Durchlassöffnung der Fokussierschicht ist insbesondere für ein Durchlassen von den freien Elektronen ausgebildet. An die Fokussierschicht ist eine Fokussierspannung anlegbar zur Fokussierung der im Feldeffektemissionsabschnitt generierbaren freien Elektronen.
  • In der vorliegenden Anmeldung bedeutet Fokussierung insbesondere ein Beeinflussen der Trajektorien der freien Elektronen derart, dass eine räumliche Verteilung der emittierten Elektronen senkrecht zur Emissionsrichtung verändert, insbesondere vergrößert und/oder verkleinert, wird. Die Veränderung kann eine Vergrößerung der räumlichen Verteilung, auch defokussieren genannt, und eine Verkleinerung der räumlichen Verteilung, auch fokussieren genannt, umfassen. In anderen Worten ist die Fokussierschicht für ein Fokussieren und ein Defokussieren der freien Elektronen eingerichtet.
  • Die Fokussierspannung kann insbesondere zwischen minus 5000 V und plus 5000 V, insbesondere zwischen minus 1000 V und plus 1000 V, vorzugsweise 200 V oder 50 V betragen. Das elektrische Potential der Gateelektrode ist vorzugsweise während der Elektronenemission negativer als das elektrische Potential der Fokussierschicht. Die Erfinder haben erkannt, dass vorteilhafterweise eine Verkleinerung der räumlichen Verteilung der Elektronen, also das Fokussieren, in gewissen Spannungsbereichen unabhängig vom Vorzeichen der Fokussierspannung erzielbar ist.
  • Der Durchmesser der Gateöffnung und/oder der Durchmesser der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder der Durchmesser der Durchlassöffnung der Fokussierschicht betragen insbesondere weniger als 100 µm, vorzugsweise weniger als 25 µm. Insbesondere kann der Durchmesser Gateöffnung weniger als 10 µm betragen.
  • Die Fokussierschicht ist aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die elektrische Leitfähigkeit kann durch eine Dotierung des Materials der Fokussierschicht erzielt sein und/oder materialinhärent sein. Beispielsweise kann das elektrisch leitfähige Material ein Metall sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Fokussierschicht aus Wolfram, um thermisch belastbarer zu sein.
  • In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich die Dicke einer Schicht insbesondere auf die Ausdehnung in Emissionsrichtung und/oder entlang der Längsmittenachse der Emitternadel.
  • Eine Dicke der ersten Isolationsschicht ist insbesondere größer als eine Dicke der Gateelektrode und/oder eine Dicke der zweiten Isolationsschicht und/oder eine Dicke der Fokussierschicht. Die Dicke der ersten Isolationsschicht und/oder der Gateelektrode und/oder der zweiten Isolationsschicht und/oder der Fokussierschicht ist typischerweise konstant.
  • Eine Dicke der ersten Isolierschicht ist typischerweise vorgegeben durch eine Länge der Emitternadel, welche regelmäßig von der ersten Isolierschicht mechanisch stabilisiert ist. Die erste Isolierschicht ist typischerweise so dick, dass sie die Spannung zwischen dem Feldeffektemissionsabschnitt und der Gateelektrode isolieren kann. Eine derartige Dicke ist insbesondere wichtig, wenn die erste Isolierschicht an die Innenwand der Gateöffnung angrenzt.
  • Eine Dicke der Gateelektrode liegt insbesondere zwischen 0,01 µm und 25 µm, vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 2,5 µm, und/oder beträgt beispielsweise 0,24 µm. Insbesondere kann eine Dicke des dotierten Materials 0,2 µm und die Dicke der Deckschicht 0,04 µm betragen.
  • Eine Dicke der zweiten Isolationsschicht liegt insbesondere zwischen 0,01 µm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 1 µm. Die Dicke der zweiten Isolationsschicht ist insbesondere nach unten begrenzt durch die Durchschlagsfestigkeit der zweiten Isolationsschicht, welche insbesondere von dem Material und dessen Dicke abhängt, und/oder abhängig von der maximalen Fokussierspannung. Die zweite Isolierschicht sollte vorzugsweise mindestens so dick sein, dass die Potentialdifferenz zwischen Gateelektrode und Fokussierschicht isoliert ist.
  • Eine Dicke der Fokussierschicht liegt insbesondere zwischen 0,1 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 15 µm. Die Fokussierschicht ist vorteilhafterweise so dick wie möglich, um thermisch belastbar gegen Überschläge zu sein, soweit gleichzeitig die freien Elektronen noch passieren können. Eine Dicke der zweiten Isolationsschicht ist vorzugsweise größer als eine Dicke der Gateelektrode. Eine Dicke der Fokussierschicht ist vorzugsweise geringer als eine Dicke der Gateelektrode.
  • Eine Ausdehnung der Emitternadel quer zur Längsmittenachse beträgt beispielsweise zwischen 0,02 µm und 20 µm, insbesondere zwischen 0,05 µm und 1 µm, vorteilhafterweise 0,2 µm. Das erste Ende der Emitternadel kann beispielsweise bis zur Mitte der Dicke der Gateelektrode in die Gateöffnung hineinragen.
  • Der Durchmesser der Gateöffnung kann beispielsweise zwischen 0,05 µm und 2 µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 1 µm, vorteilhafterweise 0,34 µm betragen.
  • Die Gateöffnung und/oder die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder die Durchlassöffnung der Fokussierschicht sind insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Ein Querschnitt der Gateöffnung und/oder der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder der Durchlassöffnung der Fokussierschicht kann alternativ mehreckig, insbesondere viereckig, vorzugsweise quadratisch ausgebildet sein.
  • Die Mittenachse der Gateöffnung und/oder der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder der Durchlassöffnung der Fokussierschicht kann insbesondere mit der Längsmittenachse der Emitternadel zusammenfallen. In diesem Fall kann die Längsmittenachse insbesondere die Gateöffnung und/oder die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder die Durchlassöffnung der Fokussierschicht mittig schneiden. Es ist alternativ denkbar, dass die Längsmittenachse zur Mittenachse der Gateöffnung und/oder der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht und/oder der Durchlassöffnung der Fokussierschicht einen Abstand größer null aufweist und/oder einen Winkel größer Null einschließt.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Durchmesser der Gateöffnung geringer ist als der Durchmesser der Durchlassöffnung der Fokussierschicht. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil die Anzahl der freien Elektronen, welche auf die Fokussierschicht auftreffen und von dort über die Fokussierschicht abgeleitet werden, reduziert werden kann. Somit ist vorzugsweise der Gatestrom verringert. In anderen Worten ist vorteilhafterweise ein Anteil derjenigen freien Elektronen, welche auf die Anode auftreffen kann, erhöht.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Durchmesser der Gateöffnung geringer ist als der Durchmesser der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil eine Aufladung der zweiten Isolationsschicht mit Elektronen, welche auf die zweite Isolationsschicht auftreffen, reduziert werden kann. Somit entsteht ein geringeres oder gar kein elektrisches Feld in der zweiten Isolationsschicht, welches die Trajektorien der freien Elektronen stören könnte.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht in Emissionsrichtung der Emitternadel sich erweiternd ausgebildet ist. In diesem Fall nimmt insbesondere der Durchmesser der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht mit ansteigendem Abstand von der Gateelektrode zu. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil die räumliche Verteilung der freien Elektronen quer zur Emissionsrichtung in unmittelbarer Nähe zum Feldeffektemissionsabschnitt zunimmt. Die sich erweiternde Durchlassöffnung kann vorteilhafterweise diesen Effekt kompensieren und dabei vorteilhafterweise gleichzeitig die Gateelektrode bestmöglich abdecken sowie den Eintrag von Elektronen in die zweite Isolationsschicht verringern.
  • Eine Weiterbildung der vorherigen Ausführungsform sieht vor, dass die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht mit einer kegelstumpfförmigen Innenwand ausgebildet ist und dass die Innenwand der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht zur Längsmittenachse einen Winkel größer 0° und kleiner 60° einschließt. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil die kegelstumpfförmige Innenwand gut herstellbar ist und dabei weiterhin die vorgenannten Vorteile ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform sind typischerweise die Durchlassöffnung der Fokussierschicht und die Gateöffnung zylindrisch ausgebildet. Die Mittenachsen der Durchlassöffnungen der Fokussierschicht sowie der zweiten Isolationsschicht und der Gateöffnung fallen insbesondere mit der Längsmittenachse der Emitternadel zusammen. Die kegelstumpfförmige Innenwand der zweiten Isolationsschicht ist in Emissionsrichtung typischerweise von der Unterseite der Fokussierschicht und/oder entgegen der Emissionsrichtung insbesondere von der Oberseite der Gateelektrode begrenzt.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass der geringste Durchmesser der Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht größer ist als der größte Durchmesser der Gateöffnung. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil die zweite Isolationsschicht mit parallel zur Emissionsrichtung propagierende Elektronen nicht wechselwirken kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einer der vorherigen beiden Ausführungsformen, bei welchen die Durchlassöffnung der zweiten Isolationsschicht in Emissionsrichtung sich erweiternd ausgebildet ist.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Übergang der Oberseite der Gateelektrode auf eine Innenwand der Gateöffnung bogenförmig ausgestaltet ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die dadurch erzielte Verringerung der elektrischen Feldstärke an diesem Übergang. Der Übergang ist insbesondere die beispielsweise ringförmige Kante von der Oberseite auf die Innenwand. In anderen Worten ist im Querschnitt parallel zur Emissionsrichtung eine Ecke zwischen der Innenwand der Gateöffnung und der Oberseite der Gateelektrode bogenförmig. Bogenförmig bedeutet, dass die Gateelektrode derart prozessiert wird, dass ein Radius des Übergangs planmäßig vergrößert wird. In anderen Worten wird eine Spitzigkeit des Übergangs beispielsweise durch ein Abrunden verringert. Bogenförmig ausgestaltet bedeutet insbesondere bogenförmig gefertigt und/oder bogenförmig nachbearbeitet.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht durch die Gateöffnung hindurch aneinander angrenzen. Insbesondere kann die erste Isolationsschicht an die zweite Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht an die erste Isolationsschicht angrenzen. Die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht sind insbesondere durch die Gateöffnung hindurch vorzugsweise lückenlos miteinander verbunden. Die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht sind insbesondere durch ein geschlossenes Zwischenstück, welches zentral eine Durchlassöffnung für die Emitternadel und/oder die freien Elektronen aufweist, miteinander verbunden. Das Zwischenstück kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein. Lückenlos bedeutet, dass auf jeder Höhe der Gateöffnung in Umfangrichtung Material der ersten Isolationsschicht bzw. der zweiten Isolationsschicht zwischen der Gateöffnung der Gateelektrode ist. Das Zwischenstück, je nach Betrachtungsweise die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht, grenzt vorzugsweise an die Innenwand der Gateöffnung an. In diesem Fall besteht die erste Isolationsschicht vorteilhafterweise aus demselben Material wie die zweite Isolationsschicht. Diese Ausführungsform verbessert vorteilhafterweise das Isolationsvermögen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform ein über die Gateelektrode abfließender Gatestrom reduziert.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass das erste Ende der Emitternadel einen Überstand größer oder gleich null relativ zur Oberseite der Gateelektrode aufweist. Der Überstand beträgt beispielsweise zwischen 0,001 µm und 1 µm, insbesondere zwischen 0,01 µm und 0,4 µm. Der Überstand des ersten Endes bezieht sich insbesondere auf die in Emissionsrichtung höchste Position der Emitternadel. Typischerweise weist das äußerste Ende der Emitternadel die höchste Position der Emitternadel relativ zur Emissionsrichtung auf, insbesondere also der Abschluss des spitz zulaufenden Abschnitts. Bei einem Überstand gleich null relativ zur Oberseite schließt das erste Ende der Emitternadel mit der Oberseite der Gateelektrode insbesondere bündig ab. In diesem Fall ragt das erste Ende der Emitternadel in die Gateöffnung hinein, aber nicht über die Gateöffnung hinaus. Bei einem Überstand gleich null liegt insbesondere kein Überstand vor. Bei einem Überstand gleich null weist insbesondere die Oberseite der Gateelektrode relativ zum ersten Ende der Emitternadel keinen Überstand auf. Bei einem Überstand gleich null sind die Oberseite der Gateelektrode und das erste Ende der Emitternadel insbesondere gleich hoch. Bei einem Überstand größer null relativ zur Oberseite ist das erste Ende der Emitternadel oberhalb der Oberseite der Gateelektrode angeordnet. In diesem Fall ragt das erste Ende der Emitternadel in die Gateöffnung hinein und über die Gateöffnung hinaus. Insbesondere bei dieser Variante ist aufgrund des positiven Überstands eine Fertigung der Feldeffektemittermikrostruktur herausfordernder. Die Erfinder haben erkannt, dass trotz des Überstands freie Elektronen im Feldeffektemissionsabschnitt beim Anlegen der Emissionsspannung erzeugbar sind. Diese Ausführungsform ermöglicht vorteilhafterweise eine Reduktion des über die Gateelektrode abfließenden Gatestroms aufgrund des vergrößerten Abstands der freien Elektronen zur Gateelektrode, wodurch die freien Elektronen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in Richtung der Anode abgesaugt bzw. weg beschleunigt werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft in Kombination mit der vorherigen Ausführungsform. Dabei kann das Zwischenstück insbesondere an die Seiten des Feldeffektemissionsabschnitts angrenzen.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Feldeffektemittermikrostruktur mindestens eine weitere Emitternadel und mindestens eine weitere Gateöffnung aufweist, wobei die Längsmittenachse der mindestens einen weiteren Emitternadel auf die mindestens eine weitere Gateöffnung parallel zur Emissionsrichtung der Emitternadel ausgerichtet ist. Eine solche Feldeffektemittermikrostruktur bildet insbesondere ein Array an Feldeffektemittern. Die Anzahl der Emitternadeln der Feldeffektemittermikrostruktur kann größer zwei, insbesondere größer 100, vorzugsweise größer 10000 oder 100000 sein, beispielsweise ca. 1000000 betragen. Die Emitternadel sowie die mindestens eine weitere Emitternadel bilden vorzugsweise eine Emissionsfläche zur Erzeugung einer Stromdichte von mindestens 1 A / cm^2, vorteilhafterweise mindestens 3 A / cm^2, besonders vorteilhafterweise mindestens 10 A / cm^2.
  • Typischerweise ist jeder Emitternadel eine Gateöffnung zugeordnet. Die Anordnung der Emitternadeln relativ zu der jeweiligen Gateöffnung ist typischerweise gleich. Die Anordnung mehrerer Emitternadeln kann in einer Ebene senkrecht zur Emissionsrichtung verteilt sein. Beispielsweise können die Emitternadeln eine Matrix mit mindestens 2 x 2 je Raumrichtung bilden. Typischerweise sind Gruppen an Emitternadeln gemeinsam an- und abschaltbar. Es ist denkbar, dass jede Emitternadel unabhängig von den anderen Emitternadeln an- und abschaltbar ist. Wenn bestimmte Bereiche der Feldeffektemittermikrostruktur an- und abschaltbar sind, ist die Feldeffektemittermikrostruktur insbesondere ein segmentierter oder pixelierter Emitter. Die Gateelektrode kann die Gateöffnung und die mindestens eine weitere Gateöffnung aufweisen. In diesem Fall ist die Gateelektrode zusammenhängend, also nicht segmentiert ausgebildet. Alternativ kann die Gateelektrode die Gateöffnung und mindestens eine weitere Gateelektrode die mindestens eine weitere Gateöffnung aufweisen. In diesem Fall kann an die beiden Gateelektroden vorteilhafterweise unabhängig voneinander eine Emissionsspannung und/oder verschiedene Emissionsspannungen angelegt werden. Es ist denkbar, die erste Isolationsschicht und/oder zweite Isolationsschicht und/oder die Fokussierschicht analog zur Gateelektrode zu unterteilen. Vorteilhaft für die Herstellung ist, wenn insbesondere die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht zusammenhängend ausgebildet ist. Für ein Anlegen verschiedener Fokussierspannungen kann es vorteilhaft sein, die Fokussierschicht segmentiert, also nicht zusammenhängend auszubilden. Je nach Ausführungsform der Feldeffektemittermikrostruktur kann die Gateelektrode und/oder die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht und/oder die Fokussierschicht zusammenhängend oder segmentiert ausgestaltet sein.
  • Das Computerprogrammprodukt kann ein Computerprogramm sein oder ein Computerprogramm umfassen. Das Computerprogrammprodukt weist insbesondere die Programmcodemittel auf, welche die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte abbilden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren definiert und wiederholbar ausgeführt sowie eine Kontrolle über eine Weitergabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeübt wer-den. Das Computerprogrammprodukt ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass die Recheneinheit mittels des Computerprogrammprodukts die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen kann. Die Programmcodemittel können insbesondere in einen Speicher der Recheneinheit geladen und typischerweise mittels eines Prozessors der Recheneinheit mit Zugriff auf den Speicher ausgeführt werden. Wenn das Computerprogrammprodukt, insbesondere die Programmcodemittel, in der Recheneinheit ausgeführt wird, können typischer-weise alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt ist beispielsweise auf einem physischen, computerlesbaren Medium gespeichert und/oder digital als Datenpaket in einem Computernetzwerk hinterlegt. Das Computerprogrammprodukt kann das physische, computerlesbare Medium und/oder das Datenpaket in dem Computernetzwerk darstellen. So kann die Erfindung auch von dem physischen, computerlesbaren Medium und/oder dem Datenpaket in dem Computernetzwerk ausgehen. Das physische, computerlesbare Medium ist üblicherweise unmittelbar mit der Recheneinheit verbindbar, beispielsweise indem das physische, computerlesbare Medium in ein DVD-Laufwerk eingelegt oder in einen USB-Port gesteckt wird, wodurch die Recheneinheit auf das physische, computerlesbare Medium insbesondere lesend zu-greifen kann. Das Datenpaket kann vorzugsweise aus dem Computernetzwerk abgerufen werden. Das Computernetzwerk kann die Recheneinheit aufweisen oder mittels einer Wide-Area-Network- (WAN) bzw. einer (Wireless-)Local-Area-Network-Verbindung (WLAN oder LAN) mit der Recheneinheit mittelbar verbunden sein. Beispielsweise kann das Computerprogrammprodukt digital auf einem Cloud-Server an einem Speicherort des Computernetzwerks hinterlegt sein, mittels des WAN über das Internet und/oder mittels des WLAN bzw. LAN auf die Recheneinheit insbesondere durch das Aufrufen eines Downloadlinks, welcher zu dem Speicherort des Computerprogrammprodukts verweist, übertragen werden.
  • Bei der Beschreibung der Vorrichtung erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können Ansprüche auf das Verfahren mit Merkmalen der Vorrichtung weitergebildet sein und umgekehrt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Verfahren verwendet werden.
  • Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.
    • Exemplarische Ausführungsbeispiele der Zeichnung
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Grundsätzlich werden in der folgenden Figurenbeschreibung im Wesentlichen gleich bleibende Strukturen und Einheiten mit demselben Bezugszeichen wie beim erstmaligen Auftreten der jeweiligen Struktur oder Einheit benannt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine erfindungsgemäße Feldeffektemittermikrostruktur,
    • Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Feldeffektemittermikrostruktur,
    • Fig. 3 ein erstes Betriebsverhalten des ersten Ausführungsbeispiels,
    • Fig. 4 ein zweites und ein drittes Betriebsverhalten des ersten Ausführungsbeispiels,
    • Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Feldeffektemittermikrostruktur,
    • Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel,
    • Fig. 7 eine erfindungsgemäße Elektronenemittervorrichtung,
    • Fig. 8 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre und
    • Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre.
    Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Feldeffektemittermikrostruktur 10 in einem Längsschnitt entlang der Emissionsrichtung R.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist eine Emitternadel 11 auf. Die Emitternadel 11 weist an einem ersten Ende einen Feldeffektemissionsabschnitt 12 auf.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist ferner eine Gateelektrode 13 mit einer Gateöffnung 14 auf. Die Gateöffnung 14 verbindet eine der Emitternadel 11 zugewandte Unterseite der Gateelektrode 13 mit einer der Unterseite abgewandten Oberseite der Gateelektrode 13. Die Längsmittenachse A der Emitternadel 11 ist senkrecht zur Gateelektrode 13 auf die Gateöffnung 14 in Emissionsrichtung R ausgerichtet.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist ferner eine erste Isolationsschicht 15 auf. Die erste Isolationsschicht 15 grenzt an die Emitternadel 11 zumindest unterhalb des Feldeffektemissionsabschnitts 12, in Fig. 1 nicht gezeigt, und an die Unterseite der Gateelektrode 13 zumindest teilweise an. Mittels einer zwischen der Gateelektrode 13 und dem Feldeffektemissionsabschnitt 12 anlegbaren Emissionsspannung sind freie Elektronen im Feldeffektemissionsabschnitt 12 erzeugbar.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist ferner eine zweite Isolationsschicht 16 auf. Die zweite Isolationsschicht 16 weist eine der Emitternadel 11 zugewandte Unterseite und eine der Unterseite abgewandte Oberseite auf.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist ferner eine elektrisch leitfähige Fokussierschicht 17 auf. Die elektrisch leitfähige Fokussierschicht 17 weist eine der Emitternadel 11 zugewandte Unterseite und einer der Unterseite abgewandten Oberseite auf.
  • Die Unterseite der zweiten Isolierschicht 16 grenzt an die Oberseite der Gateelektrode 13 zumindest teilweise an. Die Oberseite der zweiten Isolierschicht 16 grenzt an die Unterseite der Fokussierschicht 17 zumindest teilweise an. Die zweite Isolationsschicht 16 sowie die Fokussierschicht 17 weisen jeweils eine Durchlassöffnung 18, 19 für die im Feldeffektemissionsabschnitt 12 erzeugbaren freien Elektronen auf.
  • In Fig. 1 ist ein Durchmesser der Emitternadel 11 kleiner als ein Durchmesser der Gateöffnung 14 sowie als ein Durchmesser der Durchlassöffnungen 18, 19. Die Gateöffnung 14 sowie die Durchlassöffnungen 18, 19 sind um die Längsmittenachse A herum zentriert angeordnet und weisen einen konstanten Durchmesser auf.
  • Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Feldeffektemittermikrostruktur 10 in einem Längsschnitt entlang der Emissionsrichtung R.
  • Der Durchmesser der Gateöffnung 14 ist geringer als der Durchmesser der Durchlassöffnung 19 der Fokussierschicht 17. Der Durchmesser der Gateöffnung 14 ist geringer als der Durchmesser der Durchlassöffnung 18 der zweiten Isolationsschicht 16. Der geringste Durchmesser der Durchlassöffnung 18 der zweiten Isolationsschicht 16 ist größer als der größte Durchmesser der Gateöffnung 14.
  • Die Durchlassöffnung 18 der zweiten Isolationsschicht 16 ist in Emissionsrichtung R der Emitternadel 11 sich erweiternd ausgebildet. Die Durchlassöffnung 18 der zweiten Isolationsschicht 16 ist mit einer kegelstumpfförmigen Innenwand ausgebildet. Die Innenwand der Durchlassöffnung 18 der zweiten Isolationsschicht 16 schließt zur Längsmittenachse A einen Winkel α größer 0° und kleiner 60° ein. Der Übergang der Oberseite der Gateelektrode 13 auf die Innenwand der Gateöffnung 14 ist bogenförmig ausgestaltet.
  • Vorteilhafterweise weist die zweite Isolationsschicht 16 eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 100 V / µm, vorzugsweise mindestens 400 V / µm auf. Die Fokussierschicht 18 kann aus Wolfram bestehen.
  • Fig. 3 zeigt ein erstes Betriebsverhalten des ersten Ausführungsbeispiels.
  • In Fig. 3 sind ausschnittsweise die Feldkomponenten des elektrischen Feldes dargestellt, welches sich aus einer Fokussierspannung von 200 V, ausgehend von 0 V in der Fokussierschicht, und einer Emissionsspannung von 50 V, ausgehend von -200 V an der Gateelektrode ergibt. Die jeweiligen elektrischen Potentiale sind in Fig. 3 dargestellt.
  • Ferner ist in Fig. 3 mit einem Doppelpfeil die Isolierstrecke dargestellt. Die Isolierstrecke stellt diejenige Distanz dar, welche eine z.B. durch einen Überschlag aufgeschmolzene Fokussierschicht 17 überbrücken muss, um einen störenden Einfluss auf die Gateelektrode 13 und/oder die Emitternadel 11 ausüben zu können.
  • Fig. 4 zeigt ein zweites (links) und ein drittes (rechts) Betriebsverhalten des ersten Ausführungsbeispiels.
  • In der linken Hälfte der Fig. 4 sind ausschnittsweise die Feldkomponenten des elektrischen Feldes dargestellt, welches sich aus einer Fokussierspannung von 0 V, ausgehend von 0 V in der Fokussierschicht, und einer Emissionsspannung von 50 V, ausgehend von 0 V an der Gateelektrode ergibt. In der rechten Hälfte der Fig. 4 sind ausschnittsweise die Feldkomponenten des elektrischen Feldes dargestellt, welches sich aus einer Fokussierspannung von -10 V, ausgehend von 0 V in der Fokussierschicht, und einer Emissionsspannung von 50 V, ausgehend von 10 V an der Gateelektrode ergibt. Die jeweiligen elektrischen Potentiale sind in Fig. 4 dargestellt.
  • Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Feldeffektemittermikrostruktur 10 in einem Längsschnitt entlang der Emissionsrichtung R.
  • Die erste Isolationsschicht 15 und die zweite Isolationsschicht 16 grenzen durch die Gateöffnung 14 hindurch aneinander an. Wie in Fig. 5 dargestellt kann die gesamte Gateöffnung 14 vollständig mit der ersten Isolationsschicht 15 und/oder der zweiten Isolationsschicht 16 sowie mit der Emitternadel 11 aufgefüllt sein. Es ist alternativ denkbar, dass die Gateöffnung 14 nicht vollständig mit der ersten Isolationsschicht 15 und/oder der zweiten Isolationsschicht 16 aufgefüllt ist.
  • In Fig. 5 weist das erste Ende der Emitternadel 11 einen Überstand größer null relativ zur Oberseite der Gateelektrode 13 auf. Insbesondere der Feldeffektemissionsabschnitt 12 weist einen Überstand größer null relativ zur Oberseite der Gateelektrode 13 auf. In anderen Worten ragt die Emitternadel 11 aus der Gateöffnung 14 heraus und/oder durch die Gateöffnung 14 hindurch. Alternativ ist es denkbar, dass das erste Ende der Emitternadel 11 einen Überstand gleich null relativ zur Oberseite der Gateelektrode aufweist, so dass das erste Ende der Emitternadel 11 bündig mit der Oberseite der Gateelektrode abschließt.
  • Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Feldeffektemittermikrostruktur 10 in einem Längsschnitt entlang der Emissionsrichtung R. Die Darstellung der Fig. 6 ist nicht maßstabsgetreu.
  • Die Feldeffektemittermikrostruktur 10 weist mindestens eine weitere Emitternadel 11.1, ... 11.N und mindestens eine weitere Gateöffnung 14.1, ... 14.N auf. Die Längsmittenachse A.1, ... A.N der mindestens einen weiteren Emitternadel 11.1, ... 11.N ist auf die mindestens eine weitere Gateöffnung 14.1, ... 14.N parallel zur Emissionsrichtung R der Emitternadel 11 ausgerichtet.
  • Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Elektronenemittervorrichtung 20 in einem Blockschaltbild.
  • Die Elektronenemittervorrichtung 20 weist eine Feldeffektemittermikrostruktur 10 und eine Spannungsquelle 21 auf. Die Spannungsquelle 21 ist mit der Feldeffektmikrostruktur 10 verschaltet zum Bereitstellen einer Emissionsspannung und/oder einer Fokussierspannung.
  • Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgenröhre 30 in einem Blockschaltbild.
  • Die Röntgenröhre 30 weist ein Gehäuse 31 auf. Das Gehäuse 31 weist einen evakuierbaren Innenraum 32 auf.
  • Die Röntgenröhre 30 weist ferner eine Elektronenemittervorrichtung 20 auf. Die Elektronenemittervorrichtung 20 ist in dem Innenraum 32 angeordnet.
  • Die Röntgenröhre 30 weist ferner eine Anode 33 auf. Die Anode 33 ist in dem Innenraum 32 angeordnet und zum Generieren von Röntgenstrahlen in Abhängigkeit von mittels der Elektronenemittervorrichtung 20 generierbaren freien Elektronen ausgebildet.
  • Fig. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre in einem Flussdiagramm.
  • Verfahrensschritt S100 kennzeichnet ein Anlegen einer Emissionsspannung zwischen der Gateelektrode 13 und der Emitternadel 11 zum Erzeugen von freien Elektronen.
  • Verfahrensschritt S101 kennzeichnet ein Anlegen einer Fokussierspannung zwischen der Fokussierschicht 17 und der Gateelektrode 13 zum Fokussieren der freien Elektronen.
  • Verfahrensschritt S102 kennzeichnet ein Generieren von Röntgenstrahlen mittels der Anode 33 der Röntgenröhre 30 durch ein Wechselwirken mit den fokussierten freien Elektronen.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung dennoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

  1. Feldeffektemittermikrostruktur (10) für eine Röntgenröhre (30), aufweisend
    - eine Emitternadel (11), wobei die Emitternadel (11) an einem ersten Ende einen Feldeffektemissionsabschnitt (12) aufweist,
    - eine Gateelektrode (13) mit einer Gateöffnung (14), wobei die Gateöffnung (14) eine der Emitternadel (11) zugewandte Unterseite der Gateelektrode (13) mit einer der Unterseite abgewandten Oberseite der Gateelektrode (13) verbindet, wobei die Längsmittenachse (A) der Emitternadel (11) senkrecht zur Gateelektrode (13) auf die Gateöffnung (14) in Emissionsrichtung (R) ausgerichtet ist,
    - eine erste Isolationsschicht (15), welche an die Emitternadel (11) zumindest unterhalb des Feldeffektemissionsabschnitts (12) und an die Unterseite der Gateelektrode (13) zumindest teilweise angrenzt,
    - wobei mittels einer zwischen der Gateelektrode (13) und dem Feldeffektemissionsabschnitt (12) anlegbaren Emissionsspannung freie Elektronen im Feldeffektemissionsabschnitt (12) erzeugbar sind,
    gekennzeichnet durch
    - eine zweite Isolationsschicht (16) mit einer der Emitternadel (11) zugewandten Unterseite und einer der Unterseite abgewandten Oberseite,
    - eine elektrisch leitfähige Fokussierschicht (17) mit einer der Emitternadel (11) zugewandten Unterseite und einer der Unterseite abgewandten Oberseite,
    - wobei die Unterseite der zweiten Isolierschicht (16) an die Oberseite der Gateelektrode (13) zumindest teilweise angrenzt,
    - wobei die Oberseite der zweiten Isolierschicht (16) an die Unterseite der Fokussierschicht (17) zumindest teilweise angrenzt,
    - wobei die zweite Isolationsschicht (16) sowie die Fokussierschicht (17) jeweils eine Durchlassöffnung (18, 19) für die im Feldeffektemissionsabschnitt (12) erzeugbaren freien Elektronen aufweisen.
  2. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach Anspruch 1,
    wobei der Durchmesser der Gateöffnung (14) geringer ist als der Durchmesser der Durchlassöffnung (19) der Fokussierschicht (17).
  3. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Durchmesser der Gateöffnung (14) geringer ist als der Durchmesser der Durchlassöffnung (18) der zweiten Isolationsschicht (16).
  4. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Durchlassöffnung (18) der zweiten Isolationsschicht (16) in Emissionsrichtung (R) der Emitternadel (11) sich erweiternd ausgebildet ist.
  5. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach Anspruch 4,
    wobei die Durchlassöffnung (18) der zweiten Isolationsschicht (16) mit einer kegelstumpfförmigen Innenwand ausgebildet ist und wobei die Innenwand der Durchlassöffnung (18) der zweiten Isolationsschicht (16) zur Längsmittenachse (A) einen Winkel (α) größer 0° und kleiner 60° einschließt.
  6. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der geringste Durchmesser der Durchlassöffnung (18) der zweiten Isolationsschicht (16) größer ist als der größte Durchmesser der Gateöffnung (14).
  7. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Übergang der Oberseite der Gateelektrode (13) auf eine Innenwand der Gateöffnung (14) bogenförmig ausgestaltet ist.
  8. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die zweite Isolationsschicht (16) eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 100 V / µm, vorzugsweise mindestens 400 V / µm, aufweist.
  9. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Fokussierschicht (18) aus Wolfram besteht.
  10. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die erste Isolationsschicht (15) und die zweite Isolationsschicht (16) durch die Gateöffnung (14) hindurch aneinander angrenzen.
  11. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das erste Ende der Emitternadel (11) einen Überstand größer oder gleich null relativ zur Oberseite der Gateelektrode (13) aufweist.
  12. Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Feldeffektemittermikrostruktur mindestens eine weitere Emitternadel und mindestens eine weitere Gateöffnung aufweist, wobei die Längsmittenachse der mindestens einen weiteren Emitternadel auf die mindestens eine weitere Gateöffnung parallel zur Emissionsrichtung der Emitternadel ausgerichtet ist.
  13. Elektronenemittervorrichtung (20), aufweisend
    - eine Feldeffektemittermikrostruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und
    - eine mit der Feldeffektemittermikrostruktur (10) verschaltete Spannungsquelle (21) zum Bereitstellen einer Emissionsspannung und/oder einer Fokussierspannung.
  14. Röntgenröhre (30), aufweisend
    - ein Gehäuse (31) mit einem evakuierbaren Innenraum (32),
    - eine Elektronenemittervorrichtung (20) nach Anspruch 13 in dem Innenraum (32),
    - eine Anode (33) in dem Innenraum (32) zur Generierung von Röntgenstrahlen in Abhängigkeit von mittels der Elektronenemittervorrichtung (20) generierbaren freien Elektronen.
  15. Verfahren zum Generieren von Röntgenstrahlen mittels einer Röntgenröhre (30) nach Anspruch 14, umfassend die Schritte:
    - Anlegen einer Emissionsspannung zwischen der Gateelektrode (13) und der Emitternadel (11) zum Erzeugen von freien Elektronen,
    - Anlegen einer Fokussierspannung zwischen der Fokussierschicht (17) und der Gateelektrode (13) zum Fokussieren der freien Elektronen,
    - Generieren von Röntgenstrahlen mittels der Anode (33) der Röntgenröhre (30) durch ein Wechselwirken mit den fokussierten freien Elektronen.
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