Elektronen-EmissionsVorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Elektronen-Emissions _V orrichtung .

Aus der DE 41 00 297 Al ist eine Elektronen-Emissions _V or richtung bekannt, die einen Elektronen-Emitter mit einer Emissionsfläche und ein Sperrgitter umfasst . Das Sperrgitter ist zur Emissionsfläche des Elektronen-Emitters beabstandet und weist eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren GitterSegmenten auf . Allen GitterSegmenten sind hierzu je weils ein Schalter sowie ein Vorwiderstand zugeordnet . Durch die Schalter sind die GitterSegmente j eweils zuschaltbar oder abschaltbar .

Weiterhin offenbart die US 5, 857, 883 eine Elektronen- Emissions _V orrichtung mit einem Elektronen-Emitter und einer dem Sperrgitter zugewandten Emissionsfläche . Das Sperrgitter ist zur Emissionsfläche des Elektronen-Emitters beabstandet und weist mehrere einzeln zuschaltbare GitterSegmente auf .

Eine Elektronen-Emissions _V orrichtung, die als thermionische Emissions _V orrichtung ausgebildet ist, ist beispielsweise in der US 8,374, 315 B2 beschrieben . Im bekannten Fall umfasst die Elektronen-Emissions _V orrichtung wenigstens einen Flache mitter mit wenigstens einer Emissionsfläche, die beim Anlegen einer Heizspannung Elektronen thermisch emittiert . Weiterhin umfasst die bekannte Elektronen-Emissions _V orrichtung wenigs tens ein Sperrgitter, das zur Emissionsfläche des Flachemit ters beabstandet ist . Im bekannten Fall wirkt das Sperrgitter als Steuerelektrode, da durch Anlegen einer GitterSpannung die Emission von Elektronen aus dem Material der Emissions fläche variiert werden können . Dadurch können definierte Teilstrahlen der Elektronenemission erzeugt werden . In der US 7,835,501 B2 und der DE 10 2012 209 089 Al ist die Möglichkeit einer Leistungserhöhung durch den Einsatz von asymmetrischen Brennfleckformen beschrieben .

Weiterhin ist aus der US 8 , 054 , 944 B2 bekannt, mehrere Elekt- ronenstrahlen, die durch Ablenkeinrichtungen ablenkbar sind auf eine Anode zu lenken .

Außerdem sind in der US 7, 817, 777 B2 und der IN 201400992 12 sogenannte "Coded Spot "-Verfahren offenbart .

Feldeffekt-Emissionskathoden sind z.B. in US 7,751,528 B2 (insbesondere FIG 1 lb und FIG 8 ) und in der Veröffentlichung "Multisource inverse-geometry CT. Part I I . X-ray source de- sign and prototype" (Autoren : V. Bogdan Neculaes et al . ) in Medical Physics 43 (8), August 2016, Seiten 4617-4627, insbe sondere FIG 7 ) beschrieben . Über einer großflächigen Emissi onsfläche eines Emittermaterials (Carbon-Nano-Tubes oder Dis penser-Kathodenmaterial , wie z.B. Bariumoxid) liegt ein Me tallgitter . Dispenserkathoden werden auch als Nachlieferungs- kathoden oder als Vorratskathoden bezeichnet . Durch Anlegen einer Spannung am kompletten Gitter wird die Emissionsstrom stärke der kompletten Fläche gesteuert . Der auf das Sperrgit ter fließende Strom heizt das Sperrgitter auf und begrenzt die Stromstärke und Pulszeit der Elektronenemission, wodurch eine Beschädigung des Sperrgitters verhindert wird .

Aus der US 7,751,528 B2 ist weiterhin bekannt, mehrere Katho den einzeln zu schalten, um Elektronenstrahlen in einigem Ab stand voneinander an- und aus zuschalten .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine Elektronen- EmissionsVorrichtung für eine Röntgenröhre zu schaffen, die auf einfache Weise eine Anpassung der Bildqualität bei ge ringstmöglicher Anodenbelastung erlaubt .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektronen- EmissionsVorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen .

Die Elektronen-EmissionsVorrichtung, nach Anspruch 1 umfasst wenigstens einen Elektronen-Emitter mit wenigstens einer Emissionsfläche und wenigstens ein Sperrgitter, das zur Emis sionsfläche des Elektronenemitters beabstandet ist und eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren GitterSegmenten aufweist . Erfindungsgemäß ist an j edes der GitterSegmente je weils wenigstens eine individuell vorgebbare GitterSpannung anlegbar . Die vorgebbare GitterSpannung liegt hierbei zwi schen einem unteren Grenzwert, der nicht notwendigerweise Null sein muss , und einem oberen Grenzwert, der auch unter halb eines zulässigen Maximalwerts liegen kann .

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung an j edes der GitterSegmente j eweils wenigstens eine individuell vorgebbare GitterSpannung anlegbar ist, können für eine vorgebbare An zahl von einzeln ansteuerbaren GitterSegmenten gezielt defi nierte Teilstrahlen des Elektronenstrahls (Elektronen- Teilstrahlen) erzeugt werden . Das Sperrgitter bildet damit bei der Elektronen-Emissions _V orrichtung gemäß Anspruch 1 eine zuverlässige Steuerelektrode .

Das segmentierte Sperrgitter ist zur Emissionsfläche des Elektronen-Emitters beabstandet . Aufgrund der einzeln ansteu erbaren GitterSegmente können verschiedene Spannungsmuster erzeugt werden, durch die eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektronenstrahlen generierbar sind . Im Rahmen der Erfindung ist es z.B. möglich abwechselnd j eweils durch ein einzelnes Gittersegment eine Elektronenemission zu ermöglichen . Es ist j edoch ebenfalls möglich, dass mehrere GitterSegmente, die nicht notwendigerweise benachbart angeordnet sein müssen, gleichzeitig eine Emission von Elektronen aus der Emissions fläche des Elektronen-Emitters ermöglichen . Somit können durch das gezielte Sperren einzelner GitterSegmente die

Elektronenemissionen und damit die Orts _V erteilungen der emit tierten Elektronen, die die die Brennfleckformen bestimmen, gezielt variiert werden . Damit ist eine optimale Anpassung an den j eweiligen Anwendungsfall zuverlässig möglich .

Die einzelnen GitterSegmente sind durch die j eweils angeleg ten GitterSpannungen für die emittierten Elektronen unter schiedlich durchlässig . Bei einem Gittersegment, an dem eine geringere GitterSpannung anliegt, tritt eine entsprechend hö here Elektronenemission auf . Demgegenüber ergibt sich bei ei ner entsprechend höheren GitterSpannung eine entsprechend ge ringe Elektronenemission .

Das Sperrgitter bzw . die GitterSegmente besitzen immer ein positives Potential gegenüber der Emissionsfläche des Elekt- ronen-Emitters . Die GitterSegmente in den nicht-emittierenden Bereichen liegen entweder auf dem Potential der Emissionsflä che des Elektronen-Emitters oder auf einem Potential , das ne gativer ist als das Potential des Elektronen-Emitters . Wählt man die Potentiale entsprechend, dann kann der Elektronen strahl im Emissionsbereich abgelenkt oder fokussiert werden . Die Verteilung der emittierten Elektronen ist damit nahezu frei wählbar .

Bei Röntgenröhren für diagnostische Bildgebung werden Eigen schaften benötigt, durch welche der Brennfleck auf der Anode, der die Röntgenquellfläche ( "Point-Spread-Function" , PSF, Punktspreizfunktion, bzw . die Emissions _V erteilung) bildet, dynamisch verändert werden kann . Mit einer solchen Funktion können eine Reihe von Verbesserungen erreicht werden :

- Erhöhung der elektrischen Leistungsdichte im Brennfleck (durch asymmetrische Emissions _V erteilung) ,

- Erhöhung der Dauerleistung bei geschalteten Carbon-Nano- Tube-Emittern (durch Nutzung mehrerer Elektronenstrah len) ,

- Verbesserung des Auflösungsvermögens (durch Coded-Spot- Algorithmen) .

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Elektronen- EmissionsVorrichtung ist der Elektronen-Emitter als Dispen- ser-Kathode (auch als "Spindtkathode" bezeichnet) ausgebil det, die beim Anlegen einer elektrischen Feldstärke Elektro nen emittiert (Anspruch 2 ) . Unter dem Begriff "Dispenser- Kathode" ist eine Kathode zu verstehen, bei dem das Trägerma terial mit einem Dispenser-Kathodenmaterial beschichtet ist, das beim Anlegen einer elektrischen Feldstärke Elektronen emittiert . Geeignete Dispenser-Kathodenmaterialien sind z.B. Bariumoxid (BaO) und Lanthanhexaborid (LaB ₆₎ .

Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Elektro- nen-Emissions _V orrichtung ist der Elektronen-Emitter als Feld effekt-Emitter ausgebildet, der ebenfalls beim Anlegen einer elektrischen Feldstärke Elektronen emittiert (Anspruch 3 ) . Im Rahmen der Erfindung können die Feldeffekt-Emitter beispiels weise als CNT-basierte Feldemitter (CNT, Carbon Nano Tubes , Kohlenstoff-Nanoröhren) oder als Si-basierte Feldemitter ( Si , Silizium) ausgeführt sein . Auch nanokristalliner Diamant ist gemäß der DE 197 27 606 Al für die Herstellung von Kaltkatho- den geeignet .

Nach einer weiteren vorteilhaften Alternative der Elektronen- Emissions _V orrichtung ist der Elektronen-Emitter als thermi scher Emitter (Glühemission) ausgebildet, der beim Anlegen einer Heizspannung Elektronen emittiert (Anspruch 4). Vor zugsweise ist die Emissionsfläche des Elektronen-Emitters strukturiert . Diese Strukturierung ist bei einem Flachemitter mit rechteckiger Oberfläche beispielsweise durch Schlitze auf der Emissionsfläche realisierbar

Für spezielle Anforderungen kann es vorteilhaft sein, dass zu dem Sperrgitter beabstandet ein zweites Sperrgitter angeord net ist, wobei die Ebenen der beiden Sperrgitter parallel zu einander verlaufen, und wobei das zweite Sperrgitter eben falls eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren Git tersegmenten aufweist und die GitterSegmente des Sperrgitters orthogonal zu den GitterSegmenten des zweiten Sperrgitters verlaufen (Anspruch 5 ) . Damit kann die Emissions _V erteilung der Elektronen in zwei Raumrichtungen beliebig gesteuert wer den .

Die Elektronen-EmissionsVorrichtung gemäß der Erfindung bzw . deren vorteilhafte Ausgestaltungen (Ansprüche 2 bis 5 ) sind für den Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 6) .

Mit der Elektronen-Emissions _V orrichtung (Ansprüche 1 bis 5 ) bzw . mit einem damit ausgestatteten Fokuskopf (Anspruch 6) ist es möglich, auf einfache Weise eine Röntgenröhre (Ansprü che 7 und 8 ) herstellbar, die eine Anpassung der Bildqualität bei geringer Anodenbelastung ermöglicht .

Die vorstehend beschriebenen Röntgenröhren (Ansprüche 7 und 8 ) können ohne Modifikationen in das Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden (Anspruch 9) .

Nachfolgend werden schematisch dargestellte Ausführungsbei spiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne j edoch darauf beschränkt zu sein . Es zeigen :

FIG 1 eine Prinzip-DarStellung der erfindungsgemäßen Elektro- nen-Emissions _V orrichtung,

FIG 2 ein erstes Beispiel für eine Emissions _V erteilung der aus der Elektronen-Emissions _V orrichtung gemäß FIG 1 austretenden Elektronen,

FIG 3 ein zweites Beispiel für eine Emissions _V erteilung der aus der Elektronen-Emissions _V orrichtung gemäß FIG 1 austretenden Elektronen,

FIG 4 ein drittes Beispiel für eine Emissions _V erteilung der aus der Elektronen-Emissions _V orrichtung gemäß FIG 1 austretenden Elektronen,

FIG 5 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer

Elektronen-Emissions _V orrichtung, FIG 6 eine Draufsicht auf die Elektronen-EmissionsVorrichtung gemäß FIG 5.

Die in FIG 1 in Prinzip-DarStellung gezeigte Elektronen- EmissionsVorrichtung umfasst einen Elektronen-Emitter 2 mit einer Emissionsfläche 3 und mit einem Sperrgitter 5 , das zur Emissionsfläche 3 des Elektronen-Emitters 2 beabstandet ist . Das Sperrgitter 5 weist einzeln ansteuerbaren GitterSegmente Gi bis G _N auf . Für die Darstellung wurden lediglich aus Grün den der Übersichtlichkeit nur sieben GitterSegmente darge stellt, also für die Anzahl N der GitterSegmente N = 7 ge wählt . Die Erfindung ist weiterhin nicht auf einen einzigen Elektronen-Emitter 2 und nicht auf eine einzige Emissionsflä che 3 beschränkt . Abhängig vom Anwendungsfall können sowohl mehrere Elektronen-Emitter 2 als auch mehrere Emissionsflä chen 3 pro Elektronen-Emitter 2 vorgesehen sein . Gleiches gilt für das Sperrgitter 5. Auch hier können mehrere Sperr gitter 5 vorgesehen sein . Lediglich aus Gründen der Über sichtlichkeit wurde diese Beschränkung in der Prinzip- Darstellung gewählt .

An j edes der GitterSegmente Gi bis G _N kann eine frei wählbare GitterSpannung U _Gi bis U _GN angelegt werden (siehe FIG 6) . An j edes der GitterSegmente Gi bis G _N kann also auch eine unter schiedliche GitterSpannung U _GN angelegt sein . Damit liegen dann in den Bereichen zwischen den j eweiligen GitterSegmenten Gi bis G _N und der Emissionsfläche 3 j eweils unterschiedliche elektrische Felder an, was zu unterschiedlichen Emissionen von Elektronen aus der Emissionsfläche 3 des Elektronen- Emitters 1 führt .

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind beispielsweise die in den FIG 2 bis FIG 4 dargestellten EmissionsVerteilungen für die aus der Emissionsfläche 3 austretenden Elektronen erziel bar . Für die Darstellungen wurden j eweils in einem kartesi schen Koordinatensystem die GitterSegmente Gi bis G _s auf der Abszisse und die Elektronenemission E ist auf der Ordinate aufgetragen .

Bei der in FIG 2 gezeigten EmissionsVerteilung sind die Git terspannungen U _Gi bis U _GN an den GitterSegmenten Gi bis G _N der art gewählt, dass an den GitterSegmenten Gi und G _N zwei gleich starke GitterSpannungen U _Gi und U _GN anliegen, wodurch die Elektronenemissionen E j eweils gleich stark sind . Die GitterSegmente G2 bis G _N -I sind durch Anlegen von höheren Git terspannungen U _G 2 bis U _GN-i j edoch gesperrt, so dass an den GitterSegmenten G2 bis G _N -I keine Elektronen austreten .

Im Gegensatz dazu sind die GitterSpannungen U _Gi bis U _GN an den GitterSegmenten Gi bis G _N bei der in FIG 3 dargestellten EmissionsVerteilung unterschiedlich . Die Elektronenemissionen E sind durch Anlegen einer gewünschten GitterSpannung U _GN frei wählbar, wodurch die MTF (Modulations-Transfer-Funktion) entsprechend beeinflussbar ist . Die MTF der sich auf einer Anode ergebenden Verteilung der Röntgenemission enthält somit hochfrequente Anteile, wodurch die Grenzauflösung des Gesamt systems positiv beeinfluss werden kann (Coded Spot) . Im dar gestellten Fall sind die GitterSegmente G2 und G4 vollständig gesperrt, wohingegen durch die GitterSegmente Gi, G3 und G _s bis G _N eine zumindest teilweise Elektronenemission E möglich ist .

Bei der EmissionsVerteilung gemäß FIG 4 handelt es sich um eine asymmetrische EmissionsVerteilung der durch das Sperr gitter 5 hindurchtretenden Elektronen . Die GitterSegmente Gi bis G ₅ sind durch die j eweils angelegten GitterSpannungen U _Gi bis U _GN für die emittierten Elektronen unterschiedlich durch lässig . Das Gittersegment Gi weist die geringste Gitterspan nung U _Gi und damit die höchste Elektronenemission E auf . Dem gegenüber liegt am Gittersegment G5 die höchste Gitterspan nung U _G s an, wodurch sich eine entsprechend geringe Elektro nenemission E ergibt . Die von dem Elektronen-Emitter 2 emit tierten Elektronen erzeugen beim Auftreffen auf eine in FIG 4 nicht dargestellte Drehanode einen asymmetrischen Brennfleck, der eine höhere Elektronenstrahlleistung ermöglicht .

Eine Ausführungsform für eine Elektronen-EmissionsVorrichtung 1 ist in FIG 5 im Längsschnitt und in FIG 6 in Draufsicht dargestellt .

Auf einem Substrat 4 ist ein Emittermaterial 6 aufgebracht, das in einer Emissionsfläche 3 Elektronen emittiert (Elektro nenemission E ) .

Das Substrat 4 ist beispielsweise ein Grundkörper aus einer technischen Keramik . Bei dem Emittermaterial 6 handelt es sich z.B. um Carbon-Nano-Tubes (CNT) oder um ein Dispenser- Kathodenmaterial , wie z.B. Bariumoxid (BaO) oder Lanthanhexa- borid (LaB ₆ ) .

Das Sperrgitter 5 , das die GitterSegmente Gi bis G _N umfasst, ist auf einem Keramikträger 7 beabstandet zum Substrat 4 (Grundkörper) angeordnet .

Wie aus FIG 6 ersichtlich, werden die GitterSegmente Gi bis G _N j eweils einzeln mit den entsprechenden GitterSpannungen U _Gi bis U _GN angesteuert . Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die GitterSegmente G ₃ bis G _N-I nicht dargestellt . Das Sperrgitter 5 kann z.B. aus einem Wolframblech gefertigt sein, aus dem die GitterSegmente Gi bis G _N , die die GitterStruktur bilden, durch Laserschneiden herausgeschnitten wurden .

Für spezielle Anforderungen kann es vorteilhaft sein, ein zweites Sperrgitter (nicht dargestellt) parallel und orthogo nal sowie beabstandet zu dem Sperrgitter 5 anzuordnen . Das zweite Sperrgitter weist ebenfalls eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren GitterSegmenten auf . Damit kann die EmissionsVerteilung E der Elektronen in zwei Raumrichtungen beliebig gesteuert werden . Das segmentierte Sperrgitter 5 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 5 und 6 ist auch für eine Optimierung der aus der US 8,374, 315 B2 bekannten Elektronen-Emissionsvorrichtung ge eignet .

Wie aus der Beschreibung der in FIG 1 bis FIG 6 dargestellten Ausführungsbeispiele ersichtlich, ist durch die erfindungsge mäße Lösung auf einfache Weise eine Verbesserung der Bildqua lität bei gleichzeitig verringerter Anodenbelastung durch ei- ne Anpassung der Brennfleckgeometrie (Form und Größe) an die spezielle Anwendung realisierbar .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt und andere Ausgestaltungen können vom Fachmann hieraus problemlos abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .