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Title:
EMISSION DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/149482
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an emission device comprising - an emitter (1) which comprises a structured main emission surface (11) and which can be switched to a main potential (U1), and - a connectable field effect electron emitter (2) which comprises a structured heat emission surface (21) and which can be switched to a heat potential (U2) that differs from the main potential (U1), wherein - the heat emission surface (21) comprises a specifiable number of individually controllable field effect emitter segments (22). Such an emission device has a longer service life while maintaining a constant image quality.

Inventors:
FREUDENBERGER, Jörg (Am Mühlberg 6, Kalchreuth, 90562, DE)
Application Number:
EP2019/050387
Publication Date:
August 08, 2019
Filing Date:
January 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS HEALTHCARE GMBH (Henkestr. 127, Erlangen, 91052, DE)
International Classes:
H01J35/06; H01J1/20; H01J1/22
Domestic Patent References:
WO2013080074A12013-06-06
Foreign References:
US20010019601A12001-09-06
US4115720A1978-09-19
US20110116593A12011-05-19
JPH07161303A1995-06-23
US20150078511A12015-03-19
US20100039014A12010-02-18
US5729244A1998-03-17
US20130235976A12013-09-12
US20010019601A12001-09-06
US4115720A1978-09-19
US20110116593A12011-05-19
JPH07161303A1995-06-23
US20150078511A12015-03-19
DE102009005454B42011-02-17
EP0349387B11991-11-27
US8000449B22011-08-16
US7903788B22011-03-08
DE102006018633B42011-12-29
US7795792B22010-09-14
US6556656B22003-04-29
US7835501B22010-11-16
DE19513290C11996-07-25
US5703924A1997-12-30
DE19727606A11999-01-07
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Claims:
Patentansprüche

1. Emissionsvorrichtung, umfassend

- einen Emitter (1) mit einer strukturierten Hauptemissi onsfläche (11), der an ein Hauptpotential (Ui) schaltbar ist, und

- einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter (2) mit einer strukturierten Heizemissionsfläche (21), der an ein Heizpotential (U2) schaltbar ist, das unterschied lich zum Hauptpotential (Ui) ist, und wobei

- die Heizemissionsfläche (21) eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteuerbaren Feldeffekt-Emittersegmenten (22) umfasst .

2. Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizemis sionsfläche (21) zu der Hauptemissionsfläche (11) einen vor- gebbaren Abstand (3) aufweist,

3. Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hauptemissionsfläche (11) durch die Heizemissionsfläche (21) in einem vorgebbaren Bereich aufheizbar ist.

4. Fokuskopf mit einer Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Röntgenröhre, die eine Anode und eine Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.

6. Röntgenröhre, die eine Anode und einen Fokuskopf nach An spruch 4 umfasst.

7. Röntgenstrahler mit einem Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre nach Anspruch 5 oder 6 angeordnet ist.

Description:
Beschreibung

Emissions V orrichtung

Die Erfindung betrifft eine Emissionsvorrichtung.

In der US 2001/0019601 Al ist eine Emissionsvorrichtung of fenbart, die als thermionische Emissionsvorrichtung ausge führt ist. Die Kathode umfasst einen Flachemitter mit einer Hauptemissionsfläche, der an ein Hauptpotential schaltbar ist, sowie einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter mit einer unstrukturierten Heizemissionsfläche, die an ein Heizpotential schaltbar ist, das unterschiedlich zum Hauptpo tential ist. Da weder die Heizemissionsfläche noch die Haup temissionsfläche eine Strukturierung (Segmentierung) aufwei sen, kann die Intensität der Elektronenmission nicht selektiv gesteuert werden.

In der US 4,115,720 ist eine Anode beschrieben, die beab- standet zu einer Kathode angeordnet ist. Sowohl die Anode als auch die Kathode weisen keine Segmentierung auf, sodass keine selektive Steuerung der Elektronenmission möglich ist.

In der US 2011/0116593 Al ist eine indirekt beheizte Kathode beschrieben, die eine Elektronenquelle umfasst. Die Elektro nenquelle, die die Kathode aufheizt, kann hierbei als Feldef fektemitter oder als thermischer Emitter ausgeführt sein. Die Elektronenquelle kann hierbei mehrteilig sein, wobei die Ka thode nicht segmentiert ist, sodass keine selektive Steuerung der Elektronenmission möglich ist.

Aus der JP H07 161303 A ist eine durch Elektronen beheizte Kathode bekannt. Die Elektronen werden von einem nadelförmi gen Emitter auf die Rückseite der Kathode emittiert, wodurch sich die Kathode erwärmt. Eine derart beheizte Kathode ist für eine Röntgenröhre geeignet. Die Kathode ist wiederum nicht segmentiert, sodass auch in diesem Fall keine selektive Steuerung der Elektronenmission möglich ist. Weiterhin ist in der US 2015/0078511 Al ein Röntgengerät mit einer vorgebbaren Anzahl von unabhängigen und nicht segmen tierten Kathoden offenbart.

Eine weitere Emissionsvorrichtung, die als thermionische Emissionsvorrichtung ausgeführt ist, ist z.B. aus der

DE 10 2009 005 454 B4 bekannt und in einer Röntgenröhre als Kathode wirksam. Die bekannte thermionische Emissionsvorrich tung umfasst einen indirekt beheizten Hauptemitter, der als Flachemitter mit einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche ausgebildet ist, und mit einem Heizemitter, der als Flache mitter mit einer strukturierten Heizemissionsfläche ausgebil det ist.

Unter einer unstrukturierten Emissionsfläche wird eine fla che, im Wesentlichen homogene Emissionsfläche ohne Schlitze oder ähnliche Unterbrechungen verstanden. Eine Emissionsflä che, die beispielsweise durch Schlitze unterbrochen ist oder eine mäanderförmige Leiterbahn aufweist, wird als struktu riert bezeichnet.

Bei der aus der DE 10 2009 005 454 B4 bekannten thermioni- schen Emissionsvorrichtung weisen der Hauptemitter und der Heizemitter jeweils mindestens zwei Anschlussfahnen auf, wo bei der Heizemitter gewissermaßen in den Hauptemitter ge schachtelt ist. Die Hauptemissionsfläche und die Heizemissi onsfläche sind im Wesentlichen parallel und zentrisch zuei nander ausgerichtet. Die Anschlussfahnen des Hauptemitters sind im Wesentlichen senkrecht zur Hauptemissionsfläche aus gerichtet und stehen in lateraler Richtung nicht über die Hauptemissionsfläche heraus. Bei der bekannten thermionischen Emissionsvorrichtung wird mit konstruktiv einfach gehaltenen Mitteln eine möglichst hohe Qualität des Brennflecks erreicht und auch bei hohen thermischen Belastungen eine unerwünschte Aufweitung oder Defokussierung des Elektronenstrahls vermie den . Der in der thermionischen Emissionsvorrichtung erzeugte

Elektronenstrahl trifft in einem Brennfleck auf eine Drehano de auf. Aufgrund des Brennfleckprofils des Elektronenstrahls entsteht auf der Brennbahn eine Oberflächentemperatur von bis zu 2.400 °C. Diese Oberflächentemperatur der Brennbahn kann ohne unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer der Drehanode nicht erhöht werden, so dass allenfalls nur eine sehr geringe Leistungserhöhung über einen sehr kurzen Zeitraum und einer anschließenden Abkühlphase realisierbar ist.

Weitere indirekte Heizungen für thermionische Emitter sind in der EP 0 349 387 Bl und der US 8,000,449 B2 offenbart.

In der US 7,903,788 B2 und der DE 10 2006 018 633 B4 sind je weils strukturierte Flachemitter beschrieben.

Aus der US 7,795,792 B2 ist es bekannt, Emittermaterialien durch ein Karburieren (Aufkohlen) in den Emissionseigenschaf ten zu verändern.

Die WO 2013/080074 Al beschreibt den Einsatz von Carbon Nano- tubes (Kohlenstoffnanoröhrchen) als Emitter in Röntgenröhren.

Weiterhin ist aus der US 6,556,656 B2 bekannt, Elektroden un ter dem eigentlichen Elektronenemitter anzuordnen, um eine Homogenisierung des elektrischen Feldes am Ort des Elektro nenemitters zu erhalten.

Eine asymmetrische Emission von Elektronen ist z.B. aus der US 7,835,501 B2 bekannt. Hierbei wird ein aus der Kathode austretender Elektronenstrahl durch eine Brennfleck- Modulationseinheit derart moduliert, dass eine asymmetrische Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls einstellbar ist.

In der DE 195 13 290 CI sowie der korrespondierenden

US 5,703,924 A ist eine als Flachemitter ausgebildete Glühka thode beschrieben, die aus einem Grundkörper aus Wolfram be- steht und eine Beschichtung aus einem Dispenser-Kathoden- Material, z.B. Lanthanhexaborid (LaB ö) , besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Emissionsvor richtung für eine Röntgenröhre zu schaffen, die bei gleich bleibender Bildqualität eine längere Lebensdauer der Röntgen röhre gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Emissionsvorrich tung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprü chen .

Die Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst erfindungs gemäß einen Emitter mit einer strukturierten Hauptemissions fläche, der an ein Hauptpotential schaltbar ist, sowie einen zuschaltbaren Feldeffekt-Elektronenemitter mit einer struktu rierten Heizemissionsfläche, der an ein Heizpotential schalt bar ist, das unterschiedlich zum Hauptpotential ist. Bei der erfindungsgemäßen Emissionsvorrichtung ist die Strukturierung bei einem Emitter mit rechteckiger Oberfläche beispielsweise durch Schlitze auf der Hauptemissionsfläche realisierbar. Auf der Heizemissionsfläche ist diese Strukturierung z.B. durch eine entsprechende Segmentierung des Feldeffektemittermateri als realisierbar. Durch eine derartige Strukturierung erhält man auf einfache Weise einen definierten Brennfleck. Die Heizemissionsfläche der Emissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 umfasst weiterhin eine vorgebbare Anzahl von einzeln ansteu erbaren Feldeffekt-Emittersegmenten .

Bei der erfindungsgemäßen Emissionsvorrichtung wird die strukturierte Hauptemissionsfläche des Emitters durch Elekt ronen aufgeheizt, die von der strukturierten Heizemissions fläche des Feldeffekt-Elektronenemitters emittiert werden.

Der Feldeffekt-Elektronenemitter bildet somit eine indirekte Heizung für den Emitter. Dadurch, dass bei dem Feldeffekt-Elektronenemitter eine kalte Emission der Elektronen erfolgt, ist das Heizpotential, das die Emission der Elektronen aus der Heizemissionsfläche be wirkt, unterschiedlich zum Hauptpotential, das zu der thermi schen Emission der Elektronen aus der Hauptemissionsfläche des Emitters führt.

Aufgrund der kalten Elektronenemission ist im Stand-by- Betrieb deshalb auch keine thermische Heizung des Elektro nenemitters erforderlich, wodurch sich eine längere Lebens dauer für die Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 ergibt.

Im Rahmen der Erfindung können die Feldeffekt-Elektronen emitter beispielsweise als CNT-basierte Feldemittern (CNT, Carbon Nano Tubes, Kohlenstoff-Nanoröhren) oder als Si- basierte Feldemitter (Si, Silizium) ausgeführt sein. Auch na- nokristalliner Diamant ist gemäß der DE 197 27 606 Al für die Herstellung von Kaltkathoden geeignet.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Emis sionsvorrichtung weist die Heizemissionsfläche zu der Haupte missionsfläche einen vorgebbaren Abstand auf (Anspruch 2).

Bei CNT-basierten Feldemittern (CNT, Carbon Nano Tubes, Koh lenstoff-Nanoröhren) liegt der vorgebbare Abstand zwischen Heizemissionsfläche und Hauptemissionsfläche beispielsweise zwischen ca. 0,5 mm und 5 mm. Anstelle von CNT-basierten Feldemittern sind auch Si-basierte Feldemitter (Si, Silizium) einsetzbar. Auch die Verwendung von wenigstens zwei verschie denen Feldemissions-Materialien ist Rahmen der Erfindung mög lich.

Die Hauptemissionsfläche der Emissionsvorrichtung ist in vor teilhafter Weise durch die Heizemissionsfläche in einem vor gebbaren Bereich aufheizbar (Anspruch 3) .

Die Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung bzw. deren vor teilhafte Ausgestaltungen (Ansprüche 2 und 3) sind für den Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 4) . Mit der Emissionsvorrichtung (Ansprüche 1 bis 3) bzw. mit ei nem damit ausgestatteten Fokuskopf (Anspruch 4) ist auf ein fache Weise eine Röntgenröhre mit einer deutlich verbesserten Dosismodulation herstellbar (Ansprüche 5 und 6) .

Durch die kurzen Abkühlzeiten beim Abschalten des Heizemit ters sowie die deutlich kürzeren Abkühlzeiten des Hauptemit ters bei abgeschaltetem Heizemitter, werden die Strahlenbe lastungen entsprechend reduziert und die Aufnahmezeiten bei der Bildgebung verkürzt.

Die vorstehend beschriebenen Röntgenröhren (Ansprüche 5 und 6) können ohne Modifikationen in das Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden (Anspruch 7).

Nachfolgend werden zwei schematisch dargestellte Ausführungs beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer

Emissions V orrichtung,

FIG 2 eine perspektivische Ansicht der Emissionsvorrichtung entlang der Linie II-II in FIG 1,

FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine strukturierte

Hauptemissionsfläche eines als Flachemitter ausgebilde ten Emitters in Draufsicht und

FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine strukturierte Hauptemissionsfläche eines ebenfalls als Flachemitter ausgebildeten Emitters in perspektivischer Ansicht.

Die in FIG 1 dargestellte Emissionsvorrichtung umfasst einen Flachemitter 1 mit einer Hauptemissionsfläche 11 und einen Feldeffekt-Elektronenemitter 2 mit einer Heizemissionsfläche 21. Der Flachemitter 1 ist an ein Hauptpotential Ui schaltbar und der Feldeffekt-Elektronenemitter 2 ist an ein Heizpotential U2 schaltbar, das unterschiedlich zum Hauptpotential Ui ist.

Der Heizemissionsfläche 21 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 umfasst eine vorgebbare Anzahl von Segmenten 22, die bei spielsweises durch eine Metallisierung auf einem Substrat 23 aufgebracht sind. Die Strukturierung der Heizemissionsfläche 21 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die einzeln ansteuerbaren Feldeffekt-Emittersegmente 22 erreicht.

Erfindungsgemäß sind die Hauptemissionsfläche 11 und die Heizemissionsfläche 21 strukturiert.

Die Heizemissionsfläche 21 weist zu der Hauptemissionsfläche 11 einen vorgebbaren Abstand 3 auf. Hierzu ist im Randbereich des Substrats 23 wenigstens ein Abstandshalter 4 angeordnet, durch den der Abstand 3 zwischen Heizemissionsfläche 21 und Hauptemissionsfläche 11 sichergestellt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist gemäß FIG 2 ein U-förmiger Abstands halter 4 vorgesehen, der auf drei Seiten angeordnet ist und eine Kontaktierung 41 für den Flachemitter 1 aufweist. Eine Längsseite des Substrats 23 ist nicht durch den Abstandshal ter 4 belegt, um die auf dem Substrat 23 angeordneten Feldef- fekt-Emittersegmente 22 elektrisch kontaktieren zu können.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Strukturierung der Heizemissi onsfläche 21 ist die Hauptemissionsfläche 11 in einem vorgeb baren Flächenbereich definiert aufheizbar.

Weiterhin ist nicht nur die Heizemissionsfläche 21 des Feld- effekt-Elektronenemitters 2 strukturiert, sondern auch die Hauptemissionsfläche 11 des Flachemitters 1. Für die Struktu rierung der Hauptemissionsfläche 11 ist in den FIG 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Hauptemissionsfläche 11 gemäß FIG 3 weist eine plane Struktur 12 mit einem einteilig ausgebildeten Rahmen 13 auf. Innerhalb des Rahmens 13 ist eine Struktur 12 angeordnet, durch die die Hauptemissionsfläche 11 in Segmente 14a bis 14f unterteilt ist. Damit kann eine frei wählbare Anzahl von Seg menten 14a bis 14f durch die Heizemissionsfläche 21 (gestri chelt dargestellt) des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 defi niert aufgeheizt werden, wodurch die Emission von thermischen Elektronen aus der Hauptemissionsfläche 11 gezielt verbessert wird .

Die Hauptemissionsfläche 11 gemäß FIG 4 besitzt ebenfalls ei ne plane Struktur 15, die aus elastischen Elementen 16 be steht. Die elastischen Elemente 16 sind in einem zweigeteil ten Rahmen 17 angeordnet, wobei der größere Anteil der elas tischen Elemente 16 über der Heizemissionsfläche 21 (gestri chelt dargestellt) des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 ange ordnet ist und der kleinere Anteil der elastischen Elemente 16 zum mechanischen Temperaturausgleich dient.

Durch das Anlegen von Spannungen an die Feldeffekt- Emittersegmente 22 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 baut sich ein elektrisches Feld zwischen dem (auf einem einheitli chen Potential liegenden) Flachemitter 1 und den Feldeffekt- Emittersegmenten 22 des Feldeffekt-Elektronenemitters 2 auf. Dadurch kann die in die in den Feldeffekt-Elektronenemitter 2 eingetragene Leistung für jedes Feldeffekt-Emittersegment 22 einzeln geregelt werden. Dies führt dazu, dass die Emissions verteilung des Flachemitters 1 auf einfache Weise steuerbar ist. Dies erlaubt z.B. eine asymmetrische Brennfleckvertei lung oder eine Optimierung der Emissionsverteilung, wodurch die Modulationstransferfunktionen (MTF) und damit die Bild qualität verbessert werden.