Nilsson, Lars-ola (Optingenstrasse 45, Bern, CH-3013, CH)
Holm, Kurt (Martinsbergstrasse 49, Baden, CH-5400, CH)
Nilsson, Lars-ola (Optingenstrasse 45, Bern, CH-3013, CH)
| 1. | Röntgenröhre (11) mit einer Kathode, die in einen vakuumisierten Innenraum (40) Elektronen (e) emittiert, und einem als Anode ausgebildetem Target (31 , 32) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (y) hoher Dosis, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mindestens eine Kaltkathode (21, 22, 23), basierend auf einem Elektronen (e)emittierenden Material mit feldüberhöhender Struktur (70), umfasst. |
| 2. | Röntgenröhre (11 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23) mindestens eine Trägerschicht (201 ) zum Halten des Elektronen (e)emittierenden Materials umfasst, wobei die Emissionsfläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) im Wesentlichen durch die Form der Trägerschicht (201) definiert ist. |
| 3. | Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie und Raumanordnung der Kaltkathode (21 , 22, 23) und/oder der Emissionsfläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) durch die Formgebung der Trägerschicht bestimmt ist. |
| 4. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fläche der Kaltkathode (21 , 22, 23) zur Schichttiefe gross ist. |
| 5. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Flächenausdehπuπg und/oder Raumanordnung der Kaltkathode (21, 22, 23) und/oder der Anode (31, 32) Form und Grosse des Bestrahlungsraumes (90) der Röntgenröhre (11) bestimmt ist. |
| 6. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) Kohleπstoff Nanotubes (71) umfassen. |
| 7. | Röntgenröhre (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) korallenartigen Kohlenstoff umfassen. |
| 8. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöheπden Strukturen (70) Metallspitzen (70a) umfassen. |
| 9. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) SiliciumSpitzen umfassen. |
| 10. | Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feldüberhöhenden Strukturen (70) Diamaπtspitzen und/oder Diamantpulver und/oder diamantähnliche KohlenstoffMatrizen von sp2 und sp3 gebundenem Kohlenstoff umfassen. |
| 11. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht eine Matrix mit eingebetteten KohlenstoffNanotubes und/oder korallenartigem Kohlenstoff umfasst. |
| 12. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (201) der Kaltkathode (21 , 22, 23) mindestens ein Substrat mit keramischem Werkstoff umfasst. |
| 13. | Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (201) mindestenes eine Widerstandsschicht (203) und/oder Leiterbahnschicht (202) umfasst. |
| 14. | Röntgenröhre (11 ) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (202) eine aufgedampfte Kupferschicht umfasst. |
| 15. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektronen (e)emittierende Schicht der Trägerschicht und wenigstens eine Widerstandsschicht (203) in Reihe geschaltet sind. |
| 16. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die QuerschnittsGeometrie der Kaltkathode (21 , 22, 23) und/oder Anode als Vollkreis, Kreissegment, Kreisring, Dreieck, Viereck, Vieleck oder beliebig definierbarer Polygonzug ausgebildet ist. |
| 17. | * Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronen (e)emittierende Material auf der Trägerschicht mit definiertem Abstand nebeneinander und/oder hintereinander und/oder benachbart angeordnet ist. |
| 18. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) für Röntgenstrahlung (y) transparent oder im Wesentlichen transparent ausgebildet ist. |
| 19. | Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) den vakuumisierten Innenraum (40) oder den Bestrahlungsraum (90) nach aussen abschliesst. |
| 20. | Röntgenröhre (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kaltkathode (23) und Anode (31 , 32) wenigstens ein Extraktionsgitter (80) angeordnet ist. |
| 21. | Röntgenröhre (11) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kaltkathode (23) und Extraktionsgitter (80) ein elektrischer Isolator (60) angeordnet ist. |
| 22. | Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (31, 32) mindestens eine Kühl mittelschicht (KM) aufweist, wobei die Kühlmittelschicht (KM) ein flüssiges Kühlmittel (KM), und/oder ein gasförmiges Kühlmittel (KM) umfasst. |
| 23. | Verfahren zur Sterilisation und/oder zum Bestrahlen von Nahrungsmitteln und/oder Medikamenten, und/oder Blutplasma und/oder Verpackungsmaterialien und/oder Instrumenten und/oder Abtöten von Bakterien, Käfern, Ungeziefer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Röntgenröhre (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 verwendet wird. |
| 24. | Elektronenkanone mit einer Elektronenstrahl eranordnung, die eine Elektronen (e)emittiereπde Kaltkathode (21 , 22, 23, 24) und eine Anode (33) aufweist, wobei ein hochdosierter Elektronenstrahl erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltkathode die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 1 bis 22 umfasst. |
| 25. | Elektronenkanone nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (33) für die Elektronen (e) durchlässig ausgebildet ist. |
| 26. | Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (33) eine sehr dünne Folie mit einer Dicke zwischen 6 bis 200 μm mit einem Stützgitter umfasst. |
| 27. | Elektronenkaπone nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Anode (33) durch Luftkonvektion, durch Wärmeleitung und/oder durch ein flüsiges Kühlmedium erfolgt. |
| 28. | Verfahren zur Bestrahlung und/oder Trocknung von Tinte oder PolymerCrossling von Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 24 bis 27 verwendet wird. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenröhre und eine Elektronenkanone für hohe Dosisleistungen mit einer Elektronen (e') emittierenden Kathode, insbesondere zur grossflächigen Bestrahlung von 5 Objekten mit diverser Geometrie und der Verwendung der Röntgenröhre zur Sterilisation, sowie die Verwendung der Elektronenkanone zur Sterilisation, zum Trocknen von Tinte bzw. Polymer-Crosslinking.
Es ist bekannt, Röntgen- und Elektronenbestrahlung zunehmend bei der Sterilisation von Blutplasma, medizinischen Instrumenten, 10 Verpackungsmaterial für Nahrung und Medizin, Lebensmitteln, wie z.B. Gemüse, usw. einzusetzen. Dies geschieht vorteilhaft mit Röntgen- oder Elektronen-Strahlen, da Isotope als Strahlungsquellen gefährlich und schwierig zu handhaben sind, und da alternative, z.B. chemische Sterilisationsverfahren, entweder unwirtschaftlich oder aus gesetzlichen Gründen nicht verwendbar 15 sind. Industrielle Anwendungen schliessen auch das Trocknen von Tinte und Polymer-Crosslinking mit Elektronen (e~) in einem Energiebereich von 80 - 300keV ein. In sämtlichen Anwendungen strebt man eine möglichst hohe Dosis-Leistung an. Damit kann die Bestrahluπgszeit wesentlich verkürzt werden, was eine kürzere Durchlaufzeit und damit Kostensenkung bedeutet.
20 Grundsätzlich unterscheidet sich die erreichbare Dosisleistung zwischen Röntgenstrahlern und Elektroπenkaπonen. Im Bereich bis 1 MV Beschleuπiguπgsspannung wird zur Erzeugung der Röntgenstrahlen nur 1% der Elektronenenergie in Röntgenstrahlung umgewandelt. Davon wiederum werden in Standardröntgenröhren aus geometrischen Gründen weniger als 25 10% zur Bestrahlung genutzt. Daraus resultiert ein sehr kleiner Wirkungsgrad bei der Umsetzung der elektrischen Leistung in Dosisleistung. Beim Einsatz von Elektronenkaπonen dagegen kann man davon ausgehen, dass mindestens 50% der Elektronenenrgie auch zur Sterilisation genutzt werden kann. Etwa 50% der Energie gehen im Austrittsfenster verloren. Röntgenröhren und 30 Elektroπenkanoneπ unterscheiden sich auch in ihrer Anwendung. Elektronen haben eine geringe Eindringtiefe und eignen sich daher nur zur Sterilisation von Oberflächen. Mit Röntgenstrahlen können dagegen Materialien auch im Inneren sterilisiert werden, wie z.B. Blutplasma, unter Inkaufnahme des schlechteren Wirkungsgrades.
Für die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen wird die Dosis-Leistung pro Fläche durch den Abstand des Objektes vom Brennfleck der Strahlquelle und von der Strahlungsmenge, die im Brennfleck erzeugt wird, bestimmt. Diese Strahlungsmenge ihrerseits ist begrenzt durch die thermische Energie, welche durch Kühlung des Brennflecks abgeführt werden muss, damit das Material im Brennfleck nicht schmilzt. Durch diese beiden Faktoren wird die spezifische Dosisleistung eines herkömmlichen Röntgenstrahlers stark begrenzt. Um eine hohe Dosisleistung zu erzielen muss also das zu bestrahlende Objekt möglichst nahe an die Bestrahlungsquelle gelangen. Es kann ferner erforderlich sein, dass der Brennfleck des Strahlers möglichst gross ist, damit die spezifische Belastung im Brennfleck nicht das Target zum Schmelzen bringt.
Bei Elektronenstrahlern muss ebenfalls das Objekt möglichst nahe an die Strahlungsquelle gelangen, da ansonsten die Elektronen auf der Wegstrecke in der Luft zu viel Energie verlieren. Bei einem optimierten Design des Austrittsfensters vom Elektronen-Strahler geht ein relativ geringer Anteil der Strahlleistuπg in der Anode (Target) verloren und somit erhält man eine erheblich grossere Dosisleistung mit Elektronenbestrahluπg als mit Röntgenbestrahlung.
Als Strahlungsquellen werden bisher üblicherweise thermionische Elektronenquellen eingesetzt. Die thermionische Elektronenquelle kann ent¬ weder direkt oder indirekt geheizt werden und gibt bei ausreichender Glühtem- peratur Elektronen (e") in das Vakuum des Strahlers ab. Obwohl die geheizten Quellen relativ zuverlässig, robust und günstig hergestellt werden können, lei¬ den sie unter einigen Schwächen.
Obwohl die Heizleistung der Kathode in der Regel nur etwa 1 - 5% der Strahlerleistung beträgt, sind bei Hochstromelektronenquellen doch Vorkehrungen für die Kühlung im Kathodeπbereich zu treffen. Ausserdem muss der Generator die Heizleistung auf hohem Potential zur Verfügung stellen, was einen hohen Aufwand und eine Anfälligkeit gegen Störungen bedeutet. Da die thermionischen Elektronenquellen eine hohe Stromdichte aufweisen, können sie nicht flächeπmässig sondern nur eher punktförmig angeordnet werden. Dadurch ist es schwieriger, auch komplizierte Geometrien gleichmässig zu bestrahlen. Thermionische Elektronenquellen werden bei hohen Temperaturen betrieben, bei denen das emittierende Material bereits verdampft. Dadurch ist die Lebensdauer solcher Quellen begrenzt. Wegen der Stromzuführungen und evt. Kühlung ist es schwierig, thermionische Elektronenquellen so zu bauen, dass sie für Röntgenstrahlen transparent sind. Dadurch sind die geometrischen Möglichkeiten bei der Bestrahlung weiter eingeschränkt.
Bei vielen Anwendungen von Röntgenstrahlungsquellen, beispielsweise zur Sterilisation, wird eine Bestrahlungsquelle benötigt, die eine hohe Dosisleistung erzielt und auch eine Anpassung der Form der Strahlungsquelle an die Form der jeweils zu bestrahlenden Objekte und insbesondere auch eine gleichzeitige Bestrahlung von grossen Mengen dieser zu bestrahlenden Objekte ermöglicht. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Bestrahlungsverfahrens ist die Integration einer Kaltkathode in die erfindungsgemässe Bestrahlungsvorrichtung, zum Beispiel in eine Röntgenröhre oder eine Elektronenkanone.
Im Folgenden soll die Funktionsweise von Kaltkathoden näher beschrieben werden. Elektronen (e~) sind im Inneren eines Festkörpers durch eine Potentialbarriere gebunden. Die Potentialbarriere, auch Austrittsarbeit 0 genannt, liegt typischerweise bei 4.5 eV (Elektronenvolt) für herkömmliche Glühwendel aus Wolfram. Bei thermionischer Elektronenemission aus der Glühwendel der Kathode erhalten die Elektronen (e') ausreichend Energie, um die Potentialbarriere gegen das Vakuum zu überwinden. Die somit erreichbare Stromdichte J der Thermoemission beträgt
J=aT2exp(-0/kT)
nach der sog. Richardsonschen Formel; dabei ist a die Richardson-Konstante, T die Temperatur und K die Bolzmann-Konstante.
Aus der Richardsonschen Formel folgt, dass eine Absenkung der Austrittsarbeit a die Thermoemission begünstigt und deswegen wird versucht, mit anderen Emittermaterialen wie Tantal, BaO, Thorium etc. zu arbeiten. Durch die tiefere Austrittsarbeit 0 kann bei tieferen Temperaturen und demzufolge mit niedrigeren Abdampfraten und längerer Lebensdauer der Heisskathoden gearbeitet werden. Trotzdem hat die Thermoemission aufgrund der hohen Temperaturen T, die benötigt werden (>1000° Kelvin) einen hohen Heizleistungsbedarf und damit hohen Energieverbrauch. In den herkömmlichen Anwendungen der Röntgenröhre mit einem kleinen Filament ist das problemlos möglich. Die Spaπnungsgeneratoren können mit Stromstärken von 5A bei 8V angelegter Spannung über das Filament die benötige Leistung nachliefern. Sobald mehr als drei Filamente in Reihe geschaltet werden, ist derzeit eine obere Leistungsgrenze der Generatoren erreicht.
Im Gegensatz zur Thermoemission wird bei Kaltemission die Potential barriere durch ein von aussen angelegtes elektrisches Feld F deformiert, und nimmt in erster Nährung eine trianguläre Form der Höhe 0 mit der Dicke x=0/eFι an, e ist dabei die Ladung des Elektrons (e") und Fi ist das lokale elektrische Feld am Emissions-Ort. Wenn die Barriere ausreichend dünn wird, d.h. wenn 0/eFι ≤ 2 nm, können die Elektronen (e") durch die Barriere tunneln und ins Vakuum gelangen; dies wird als Kaltemission oder auch Feldemission bezeichnet. Es werden lokal am Emissions-Ort sehr grosse Feld¬ stärken Fi in der Grössenordnung von 2 - 4000 V/μm benötigt, um eine Elekt¬ ronenemission zu bewirken.
Der Strom von einem Kalt-Emitter lässt sich näheruπgsweise mit einer vereinfachten Formel von Fowler und Nordheim 1928 ausdrücken:
I= (1.5e-6 A (Fi)2 / 0) exp(1O.4/sqrt(0)) exp(-6.44e7 01 5 /F,)
A ist dabei ein Vorfaktor, um experimentell ermittelte Ströme anzupassen und sqrt 0 - ist die Quadratwurzel aus der Austrittsarbeit 0.
Der typischerweise sehr steile Verlauf der Kennlinie der Strom- Feldstärke-Beziehung nach der Formel von Fowler und Nordheim ist in Fig. 2a illustriert. Die lokal überhöhte Feldstärke Fi am Emmissionsort, beträgt dann mehrere Tausend Volt pro Mikrometer. Solche hohen elektrischen Felder Fi werden durch geometrische Feldüberhöhung ß erzielt. Wenn ein elektrisch leitfähiger Gegenstand mit hohem Längen- zu Breiten-Verhältnis ß in ein elektrisches Feld F gebracht wird, wird aufgrund der geometrisch bedingten Ladungsverschiebung im Gegenstand eine elektrische Feld Überhöhung an der Spitze stattfinden. Wenn dieser Gegenstand dabei die Höhe h und den Krümmungsradius r hat, ergibt sich näherungsweise ß=h/r. In erster Näherung lässt sich dann das stark überhöhte elektrische Feld Fi durch folgende Gleichung ausdrücken
F1= ßF
wobei F das von aussen angelegte elektrische Feld ist. Wenn beispielsweise die feldüberhöhenden Strukturen Abmessungen von h=1000 nm und r=1 nm aufweisen (dies ist z.B. bei erfiπdungsgemässer Verwendung von Kohlenstoff- Nanoröhrchen als feldüberhöhende Strukturen möglich) erhält man eine elektrische Feldüberhöhung Fi und damit Kaltemission von Elektronen bei einer angelegten Spannung, die das von aussen angelegte Feld F verursacht, wobei typischerweise das von aussen angelegte Feld F einige Volt pro Mikrometer und die elektrische Feldüberhöhung Fi einige Volt pro Nanometer beträgt. Die hierzu notwendige Spannung ist durchaus technisch realisierbar.
Um eine ausreichend hohe Stromdichte bei einer Kaltkathode zu erreichen, muss eine hohe Dichte von feldüberhöhenden Strukturen in das elektrische Feld hineingebracht werden. Bis vor knapp 30 Jahren war dies kaum möglich. In den letzten Jahrzehnten wurden allerdings verschiedene Mikrostrukturverfahreπ entwickelt, womit man eine Dichte von bis zu 108 emittierenden Mikrospitzen/cm2 erreichen kann. Eine solche lithographisch strukturierte Kathode ist schematisch auch in Fig. 2 dargestellt und besteht üblicherweise aus mikrometergrossen Metall-Spitzen, z.B. aus Molibdän und ist aus der Technik der Flachbildschirme bekannt.
Das Verfahren, Mikrospitzeπ mit Mikrometer-Präzision herzustellen, ist aufwändig und teuer. Aus diesem Grund haben Mitte der 90er Jahre die For¬ schungsergebnisse über Kaltemission von dünnen Kohlenstofffilmen bei extrem tiefen angelegten elektrischen Feldstärken für grosse Aufregung gesorgt. Zunächst wurde vermutet, dass exzeptionell tiefe Austrittsarbeiten 0 von ca. 0,1 bis einige eV dafür verantwortlich waren. Heute ist es mit wenigen Ausnahmen wissenschaftlich allgemein akzeptiert, dass diese Kohleπstofffilme effizient Elektronen abgeben können, nicht weil die Austrittsarbeit 0 tief ist, sondern weil auch sie feldüberhöhende Strukturen aufweisen. Diese Strukturen können sich entweder auf der Oberfläche oder innerhalb in einer Matrix umgeben von isolierenden sp3-Phasen befinden. Als sp3 wird die kovalente starke Bindung in einem elektrisch isolierenden Diamanten bezeichnet. Beispielsweise können in Gashase gewachse dünne Kohleπstofffilme mikrometergrosse, graphitartige sp2-Phaseπ an den Korngrenzen zwischen isolierendem diamantartigem sp3-Kohlenstoff aufweisen. Da das angelegte elektrische Feld in diese Matrix hineindringen kann, wirken die graphitischen sp2-Phasen als feldüberhöhende Strukturen. Zur Verwendung feldüberhöhender Strukturen eignen sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wie z.B. in der Patentschrift US 5726524 B1 beschrieben, aber auch andere Kohlenstoff- Typen sind kommerziell attraktiv, wie beispielsweise korallenartiger Kohlenstoff, der ebenfalls scharfe Strukturen auf der Oberfläche aufweist, wie z.B. in den Patentschriften US 6087765 B1 und US 6593683 B1 beschrieben.
Um die Kohlenstoffstrukturen herzustellen, sind die üblichen Verfahren des Standes der Technik vorstellbar. Z.B. kann bei Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition - CVD) eine kohlenstoffhaltige Gasmischung (beispielsweise Methan, Acethylen etc.) in einem evakuierten Reaktor (Vakuum-Rezipient), oft mit H2 (Wasserstoff), N2 (Stickstoff) etc. beigemischt, hineingeleitet werden. Darauf wird entweder ein Mikrowellenplasma gezündet oder das Substrat auf 600° bis 900° Celsius gebracht. In beiden Fällen, abhängig von Depositionsparametern, wachsen unterschiedliche Kohlenstoff-Strukturen auf dem Substrat auf. Oft wird auch katalytisches Wachstum verwendet. Dabei wird ein Übergangsmetall (Nickel, Cobald, Eisen etc.) in Form von kleinen, d.h. einige Naπometer bis Mikrometer grossen Klustem auf das Substrat gebracht. Auf diesen Klustern können Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen. Bei der Methode, im englischen Sprachgebrauch mit „Cathodic Are" bezeichnet, wird eine Bogenentladung, bei Stromstärken I von ca. 80A1 zwischen zwei Graphitelektroden in einer Heliumatmosphäre gezündet. Nach der Entladung befinden sich im Kohlenstoffruss Nanoröhrcheπ, die nach einer Reinigungsprozedur verwendet werden können. Es kann z.B. auch das sog. Laserablations-Verfahren verwendet werden. Dabei wird mit Laser auf ein Graphittarget geschossen. Im Russ befinden sich ebenfalls Nanoröhrchen. Durch Beimischung von Über¬ gangsmetallen in dem Graphittarget können eiπwandige Nanoröhrcheπ geschafft werden. Es gibt eine Reihe von anderen Herstellverfahren oder Varianten von den oben erwähnten. Allgemein gilt, dass man einen begrenzten Einfluss auf Defektraten im Röhrchen, Geometrie der Röhrchen, Ausschuss usw. hat. Dies hängt damit zusammen, dass man von den Wachstumsmechanismen bisher eigentlich wenig versteht.
Ein wichtiger Grund weshalb erfindungsgemäss insbesondere die Verwendung von Kohlenstoff-Nanotubes und anderem spezifisch strukturiertem Kohlenstoff und dessen Modifikationen als Kaltemitter attraktiv ist, ist das Po¬ tential zur günstigen grossflächigen Kathodendisposition. Es gibt aber auch andere Gründe, weshalb die Verwendung von Kohlenstoff interessant ist. Auf¬ grund der starken kovalenten Bindungen im Kohlenstoff sind Kaltemitter aus Kohlenstoff weniger empfindlich gegen Zerstörung als beispielsweise aufgedampfte Molybdän-Spitzen oder geätzte Silizium-Spitzen. Die Atome migrieren nicht im Hochspannungsfeld und haben weniger die Tendenz zu explodieren, so wie beispielsweise Metallspitzen.
Es kann gesagt werden, dass momentan die Herstellungsverfahren für Kohlenstoff-Nanoröhrcheπ als Elektroneπemitter noch nicht 100%ig ausgereift sind. Oft ist die Haftung der Röhrchen, beispielsweise bei katalytisch aufgewachsenen Röhrchen, sehr schlecht und im elektrischen Feld können diese aufgrund ihrer Ladung in Richtung der Anode weggerissen werden (feldinduzierte Emitterzerstörung). Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen können so einerseits elektrische Entladungen zünden und anderseits wird mit der Zeit die Emissionsperformance schlechter. In der Tat ist momentan die Langzeitstabilität der Röhrchen unbefriedigend und es wird stetig daraufhin gearbeitet, die Haftung zu verbessern.
Ein anderes Problem beim Einsatz von kohlenstoffbasierenden Kaltemittern betrifft die beschränkte Emissionsstromdichte von einer grossen Anzahl parallel emittierender Kohlenstoff-Strukturen einer ebenen Fläche. Eigentlich gibt es durchschnittlich typischerweise mehr als 108 potentielle Emitter pro cm2 einer typischen Nanoröhrchen-Dünnfilmschicht. Ein gut kontaktiertes Nanoröhrchen sollte problemlos einen Strom bis 10 μA transportieren können (theoretisch sogar bis in den mA-Bereich). Das macht also Stromdichten von 103 A/cm2 oder mehr aus. Trotzdem zeigen die experimentellen Werte, dass Stromdichteπ von 1 bis 100 mA/cm2 und Emitterdichten von 104 bis 105 Emittern pro cm2, für elektrische Feldstärken F um etwa 5-10V/μm erreicht werden (für höhere Feldstärken F beginnen nachteilig zwischen Anode-Kathode elektrische Entladungen). Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Erklärungen. Zum einen ist eine sehr hohe Dichte von Strukturen nachteilig für die Feldüberhöhung. Mit sehr kurzem Emitter-Emitter-Abstand geschieht eine elektrostatische Abschirmung, was zu einer Absenkung des geometrisch überhöhten Feldes Fi führt.
Zum anderen weist ein typischer Kaltemitter-Film mit Kohlenstoff- Nanoröhrchen, eine stochastische Verteilung von feldüberhöhenden Strukturen auf. Das führt in allen experimentell untersuchten Fällen zu einer räumlich stochastischen Verteilung ß(x,y) der feldüberhöhendeπ Strukturen auf einer Kaltkathode-Oberfläche. Demzufolge kann eine statistische ß-Verteiluπg wie folgt definiert werden
f(ß)=dn/dß
wobei dn die Anzahl der feldüberhöhenden Strukturen pro Fläche in einem kleinen Intervall ß bis (ß+dß) ist. f(ß) ist ein Mass der Güte, oder die Effizienz einer Kaltkathode und gibt eine quantitative Beschreibung der Emitter- und Stromdichte über
Emitterdichte(F)= J f(ß) dß [cm"2]
Stromdichte(F)= I f(ß) l(ß,F) dß [Acm"2]
l(ß,F) ist der Strom eines einzelnen Emitters in Abhängigkeit vom aussen an¬ gelegten elektrischen Feld F und der geometrischen Feldüberhöhung. Es wurde gezeigt, dass f(ß) einer typischen Kaltkathode mit Kohlenstoff-Nano- röhrchen eine exponentielle Abhängigkeit von ß, f(ß)~exp(kß) aufweist.
Aufgrund der relativ geringen Anzahl von effizient feldüberhöhenden Strukturen in einem höheren ß-Bereich (>400) trägt demzufolge nur etwa einen Anteil von 0.01% aller potentiellen Emitter zum Strom bei. Der Rest der Emitter hat zu tiefe Feldüberhöhungswerte und bleibt daher passiv, da das Feld Fi kleiner als 2 V/nm ist, siehe Gleichung 2. Die mit einem Prozentanteil von 0.01 % effizientesten Emitter liefern zwar Strom bei einem tiefen (d.h. mit gerin¬ ger Spannungsdifferenz) angelegten Feld F, aber da die Anzahl von diesen so gering ist, bleibt die Gesamtstromdichte gering. Ein Versuch, das von aussen angelegte Feld F zu erhöhen, damit auch die weniger effizienten Emitter zum Strom beitragen, führt unfehlbar zu elektrischen Entladungen bzw. vor allem zur strominduzierten Emitterzerstörung der effizientesten Emitter.
Im Stand der Technik sind grundsätzlich drei Lösungsansätze bekannt, die Strom- und Emitterdichte zu verbessern. Als erstes wird durch 5 kontrolliertes Wachstum versucht, den Emitter-Emitter-Abstand bzw. die Emittergeometrie (Höhe-Krümmuπgsradius-Verhältnis) zu kontrollieren. Dieser Lösungsansatz ist als sog. „Selbstorganisation" der feldüberhöhendeπ Strukturen bekannt. Hierdurch kann man die zwschen den Emittern auftretende elektrostatische Abschirmung weitestgehend ausschalten bzw. reduzieren. Das 0 geometrisch überhöhte elektrische Feld Fi steigt somit an. Als zweites wird durch kontrolliertes Wachstum versucht, f(ß) zu kontrollieren und zu manipulieren. Das exponentielle Verhalten von f(ß) einer typischen Kohlenstoff-Kaltkathode, scheint zwar intrinsisch zu sein, aber indem man die Steigung der Gerade von f(ß) stark erhöht, bringt man eine grossere Anzahl 5 Emitter in einen hohen ß-Bereich. Somit werden diese Emitter auch zum Erhöhen der Stromdichte beitragen. Als dritter Lösungsansatz ist der Einsatz von Ballastwiderständen bekannt und wird bereits für Mikrospitzen verwendet. Wenn ein oder mehrere Emitter in Serie mit einem Widerstand, z.B. in Form einer Widerstandsschicht, geschaltet werden, weicht die Emission von dem o typischen Fowler-Nordheim Verhalten ab. Je grösser das geometrisch überhöhte Feld Fi wird, um so mehr weicht der Strom von der F-N-Kennlinie, ab.
Dieser Effekt wird ausgenutzt, um den Strom der effizientesten Emitter zu unterdrücken. Das klingt paradox, aber dadurch wird eine stromin- 5 duzierte Emitterzerstörung der stärksten Emitter verhindert und das von aussen angelegte elektrische Feld F kann somit erhöht werden. In das dadurch erhöhte elektrische Feld Fi können somit auch Emitter mit geringerem ß zur Stromdichte, siehe Gleichung 5, beitragen. Da diese, aufgrund des exponentiellen Verhaltens von f(ß), in sehr grossen Mengen vorkommen, steigt o die Gesamtstromdichte der Kathode an.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben aufgezeigten Nachteile thermionischer Strahlungsquellen zu überwinden und eine Bestrahlungsvorrichtung mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen unter Verwendung eines Hoch-Dosis-Strahlers mit geringen Leistungsverlusten der Kathode, vorzuschlagen, mit dem Objekte diverser Geometrie und in grossen Mengen gleichzeitig bestrahlt werden können. Insbesondere soll ein Röntgenstrahler vorgeschlagen werden, der eine mehrfach höhere Dosisleistung ermöglicht als konventionelle Röntgenstrahler. Ebenso soll der Prozentsatz an in Röntgen-Strahlen konvertierter und und nutzbarer Energie erhöht werden und eine gleichförmige Verteilung der Röntgen-Strahlen bezüglich der zu bestrahlenden Oberfläche und der Tiefe des Materials erhalten werden. Ferner soll die vorgeschlagene Vorrichtung auch eine kostengünstige Bestrahlung, insbesondere zur Sterilisation verschiedener Objekte und das Trocknen von Tinte und Polymer-Crosslinking, insbesondere im industriellen Massstab, ermöglichen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele insbeson¬ dere durch die Elemente der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere vor¬ teilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprü- chen sowie aus der Beschreibung hervor.
Insbesondere werden diese Ziele durch die Erfindung dadurch erreicht, dass eine Röntgenröhre eine Kathode, die in einen vakuumisierten Innenraum Elektronen (e-) emittiert, und ein als Anode ausgebildetes Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (Y) hoher Dosisleistung umfasst, wobei die Kathode mindestens eine Kaltkathode, basierend auf einem Elektronen (e- )-emittierenden Material mit feldüberhöhender Struktur umfasst. Die feldüberhöheπden Strukturen können z.B. Kohlenstoff-Nanotubes, korallenartiger Kohlenstoff, Metallspitzen, Silicium-Spitzen, Diamantspitzen und/oder Diamaπtpulver umfassen. Mit Vorteil emittieren die feldüberhöhenden Strukturen Elektronen (e') schon bei Raumtemperatur. Im Gegensatz zu den als thermioπische Elektronenquellen bekannten Heisskathoden benötigen sie keine Heizleistung, um Elektronen (e') in das Vakuum abzugeben . Auf der Oberfläche der Kathode iπtegrierbare feldüberhöhende Strukturen bewirken durch Verstärkung eines von aussen angelegten elektrischen Feldes eine Kaltemission von Elektronen (e"). Die Funktionsweise der Kaltkathoden beruht darauf, dass ein von aussen angelegtes elektrisches Feld an spitz ausgebildeten Strukturen überhöht wird, so dass hohe elektrische Felder, typischerweise z.B. in der Grössenordnung von 2000 - 4000 Volt pro Mikrometer, entstehen. Die Anode kann im Vergleich zur Elektronen- emittierenden Fläche der Kathode z.B. klein oder in gleichem Grössenverhältπis ausgebildet sein. Ein Vorteil dieser Erfindung ist es u.a., dass die Elektronenemission bei Raumtemperatur erfolgt und somit die Vorrichtung zur Heizung des Emitters entfällt. Weiter entfällt die Kühlung der unmittelbaren Umgebung der Emitter. Als weiterer Vorteil soll die Lebensdauer der Emitter erwähnt werden. Da der Emitter bei Raumtemperatur betrieben wird, findet keine Alterung durch Abdampfen des Emittermaterials statt. Wegen der Stromzuführungen und evt. Kühlung ist es schwierig, thermionische Elektroπenquellen so zu bauen, dass sie für Röntgenstrahlen transparent sind. Dadurch sind die geometrischen Möglichkeiten bei der Bestrahlung weiter eingeschränkt. Röntgenröhren mit für Röntgenstrahlung transparenten Kathoden und/oder Anoden sind deshalb im Stand der Technik nicht oder nur schwer herzustellen.
In einer Ausführungsvariante umfasst die Kaltkathode mindestens eine Trägerschicht zum Halten des Elektronen (e-)-emittierenden Materials, wobei die Emissionsfläche der Kaltkathode im wesentlichen durch die Form der Trägerschicht definiert ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass fast beliebige geometrische Anordnungen realisiert werden können.
In einer anderen Ausführungsvariante ist Geometrie und Raumanordung der Kaltkathode und/oder der Emissionsfläche der Kaltkathode durch die Formgebung der Trägerschicht bestimmt. Ein Vorteil dieser Ausführuπgsvariante ist u.a., dass die Geometrie der Bestrahlungseinheit einfach den Anforderungen des Bestrahlungsverfahren angepasst werden kann.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist das Verhältnis der Fläche der Kaltkathode zur Schichttiefe gross. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Kathode sich für grossflächige Bestrahlungsvorrichtungeπ eignet.
In einer wieder anderen Ausführungsvariante ist durch die Flächenausdehnung und/oder Raumanordnung der Kaltkathode und/oder der Anode Form und Grosse des Bestrahlungsraumes der Röntgenröhre bestimmt. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das zu bestrahlende Gut von allen Seiten gleichzeitig bestrahlt werden kann. In einer Ausführungsvariante umfasst die Trägerschicht eine Matrix mit eingebetteten Kohlenstoff-Nanotubes und/oder korallenartig strukturierter Kohlenstoff. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariaπte ist u.a., dass sie für grossflächige Strahlervorrichtungen sehr wirtschaftlich wird. Kohlenstoff Nanoröhrchen sind kommerziell erhältlich und korallenartig strukturierter Kohlenstoff lässt sich grossflächig kostengünstig auftragen. Kohlenstoff ist ausserdem, aufgrund seiner starken kovalenten Verbindungen, resistenter als Metall-Mikrospitzen gegen lonenbomardemeπt und elektrische Entladungen. Kohlenstoff ist in der Lage, grosse Emissionsströme zu verkraften.
In einer anderen Ausführungsvariante umfasst die erste Trägerschicht der Kaltkathode mindestens ein Substrat mit keramischem Werkstoff oder Glas. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das Trägermaterial günstig, formbar und vakuumtauglich ist. Ausserdem ist die Abschwächung von Röntgenstrahlen durch diese Materialen relativ gering.
In einer Ausführungsvariante umfasst die Trägerschicht mindestens eine Widerstandsschicht und/oder Leiterbahnschicht. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass der Emissionsstrom gleichmässig über die Kathodenoberfläche verteilt werden kann. Somit kann die spezifische Leistung auf die Anode optimal verteilt werden, und dadurch wird lokal Überhitzung vermieden.
In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die Leiterbahnschicht eine aufgedampfte Kupferschicht. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass das Kupfer gute elektrische und wärmeableiteπde Eigenschaften hat. Andere Metalle können ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden.
In einer Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre als Anodenhohlzylinder mit einem koaxialen Kathodenhohlzylinder im Inneren ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut im Inneren des Kathodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Innen - Rückstrahler).
In einer anderen Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre als Anodenhohlzylinder mit einem koaxialen Kathodenhohlzylinder ausserhalb der Anode ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut im Inneren des Anodenhohlylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Innen - Transmissionstrahler).
In wieder einer Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre als Anodenhohlzylinder mit einem koaxialen Kathodenhohlzylinder im Inneren ausgebildet. Diese Ausführuπgsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut ausserhalb des Anodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach Aussen - Transmissionstrahler).
In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Röntgenröhre als Anodenhohlzylinder mit einem koaxialen Kathodenhohlzylinder ausserhalb der Anode ausgebildet. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass z.B. das zu bestrahlende Gut ausserhalb des Kathodenhohlzylinders angebracht werden kann (die Strahlung geht nach aussen - Rückstrahler).
In einer anderen Ausführungsvariaπte ist der Querschnitt der Kaltkathode und/oder Anode als Vollkreis, Kreissegment, Kreisring, Dreieck, Viereck, Vieleck oder beliebig definierbarer Polygonzug ausgebildet. Die Länge dieser Anordnung ist prinizipell beliebig wählbar. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Strahleranordnung sich modular zusammenbauen lässt.
In einer Ausführungsvariante ist das Elektronen (e-)-emittierende Material auf der Trägerschicht mit definiertem Abstand nebeneinander und/oder hintereinander und/oder benachbart angeordnet. Dies hat u.a fertigungstechnische Vorteile, da das Extraktionsgitter in flache Geometrien sich einfacher bauen lässt. Somit kann ein Vielzahl solcher Strahler-Module zu einer komplexen Geometrie der Strahleranordnung zusammengebaut werden.
In einer Ausführuπgsvariante ist die Kaltkathode für Röntgenstrahlung (y) transparent oder im Wesentlichen transparent ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass eine Rück¬ oder Transmissionstrahleranordnung ohne spezielle Kühlvorrichtungen der Kaltkathode (ausser Luftkoπvektion) erbaut werden kann.
In einer Ausführuπgsvariante ist zwischen Kaltkathode und Anode wenigstens ein Extraktionsgitter angeordnet. Zwischen Kaltkathode und Extraktionsgitter kann z.B. ein elektrischer Isolator angeordnet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass der Abstand Extraktionsgitter- Kaltemitter konstant über die Emissionfläche gehalten werden kann. Somit kann die örtliche Variation der Emissionsintensität reduziert werden. Die Verwendung eines Extraktioπsgitters kann unter Umständen auch als Schutz gegen lonenbomardement und elektrische Entladungen dienen.
In einer anderen Ausführungsvariante weist die Anode mindestens eine Kühlmittelschicht (KM) auf, wobei die Kühlmittelschicht (KM) ein flüssiges Kühlmittel (KM), und/oder ein gasförmiges Kühlmittel (KM) umfasst. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist u.a., dass die Anode eine höhere spezifische Elektronenintensität ertragen kann. Somit kann eine höhere Dosisleistung erziehlt werden.
An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass sich die vorliegende Erfindung neben der erfindungsgemässen Röntgenröhre auch auf ein Verfahren zur Sterilisation und/oder Bestrahlung mittels einer erfindungsgemässen Röntgenröhre sowie auf eine ebensolche Elektronenkanone bezieht.
Nachfolgend werden Ausführungsvarianteπ der vorliegenden Erfin¬ dungen anhand von Beispielen beschrieben. Die Beispiele der Ausführungen werden durch folgende Figuren illustriert:
Figur 1 zeigt eine Röntgenröhre mit thermoionischer Elektronen¬ quelle nach dem Stand der Technik. Dabei werden Elektronen (e") von einer Kathode 30 emittiert und Röntgenstrahlen V von einer Anode 20 durch ein Fenster 301 abgestrahlt.
Figur 2 zeigt eine Kaltelektronen (e") emittierende Kathode; schematisch ist eine lithographisch strukturierte Kathode mit Metallspitzen als feldüberhöhende Strukturen des Standes der Technik dargestellt.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemässen Ausfüh¬ rungsform einer Röntgenröhre in hohlzylindrischer Form, insbesondere ist schematisch der Querschnitt durch die hohlzylindrische Kaltkathoden-Anoden- Anordnung und den ebenfalls ausgebildeten Bestrahlungsraum dargestellt. Damit kann im Inneren des Kathodenhohlzylinders 31 eine z.B. gleichmässige 4ττ-Gammastrahlung erreicht werden. Das zu bestrahlende Gut kann im Inneren des Anodenhohlzylinders 31 angebracht werden. Dies garantiert eine gleichmässige Bestrahlung des Objektes von allen Seiten, was 5 ansonsten kaum möglich wäre.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt einer Kaltkathode mit Kohlenstoff- Nanotubes mit Extraktionsgitter in einer sog. Triodenkonfiguratioπ der Elektroden.
Fig. 5a zeigt den Querschnitt einer Transmissionsstrahleranordnung o in variabler Elektroden-Geometrie mit modular zusammengesetzten Kaltkathoden als Elektronenquellen in einem Teilkreissegment. Um eine 4ττ- Gammastrahlung, siehe auch Fig. 3, zu erreichen, kann ein Vielzahl solcher Transmissionsstrahleranordnungen vorteilhaft modular zusammengebaut werden. Die Ausdehnung der Transmissionstrahleranordnung ist in der 5 Längsrichtung, senkrecht zur Papierebeπe, frei wählbar.
Fig. 5b zeigt den Querschnitt einer Transmissionsstrahleranordnugen nach Fig. 5a, mit einem Spezialfall der Bemessung der Kaltkathoden und Anodenradien, wobei Kathode und Anode parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind.
o Fig.6a zeigt den Querschnitt einer Rückstrahleranordnung in variabler Elektroden-Geometrie mit modular zusammengesetzten Kaltkathoden als Elektroπenquellen in einem Teilkreissegment. Die Trägerschicht der Kathode und die Kaltkathode sind im wesentlichen für Röntgenstrahlung transparent. Die Ausdehnung der Rückstrahleranordπung ist in der 5 Längsrichtung, senkrecht zur Papierebeπe, frei wählbar.
Fig. 6b zeigt den Querschnitt einer Rückstrahlanordnung nach Fig. 6a, mit einem Spezialfall der Bemessung der Kaltkathoden und Anodenradien, wobei Kathode und Anode parallel oder im wesentlichen parallel angeordnet sind.
o Fig. 7 zeigt einen Elektronentransmissionsstrahler mit modularer Kaltkathode, in einer Anordnung analog zu Fig. 5b. Figur 1 zeigt schematisch eine Architektur einer solchen konventio¬ nellen Röntgenröhre 10 des Standes der Technik. Dabei werden Elektronen e" von einem Elektronenemitter, d.h. einer Kathode 30, in der Regel einer heissen Wolframwendel, emittiert durch eine angelegte Hochspannung auf ein Target 5 beschleunigt, wobei Röntgenstrahlen Y vom Target, d.h. der Anode 20, durch ein Fenster 301 abgestrahlt werden. D.h., beim Auftreffen der Elektronen e' auf dem Target wird im dabei entstehenden Brennfleck Röntgenstrahlung Y er¬ zeugt. Die Röntgenstrahlung Y tritt durch ein Fenster 301 in den Aussenraum und wird zu Bestrahlungszwecken genutzt. Von der auf dem Target 20 o erzeugten Strahlung gelangt nur ein kleiner Teil auf das zu bestrahlende Gut. Aus geometrischen Gründen wird der grösste Teil der Strahlung in der Röhre selbst absorbiert. Damit muss, je nach Grosse des Objektes, ein bestimmter Bestrahlungsabstand gewählt werden, um das Objekt vollständig zu bestrahlen. In konventionellen Anordnungen kann typischerweise nur etwa 10 % der Strah- 5 lung in den Halbraum der Targetoberfläche genutzt werden. Figur 1 zeigt ein Abstrahlfenster 301 mit einer Öffnung von 50°.
Figur 2 zeigt schematisch eine bekannte lithographisch strukturierte Kaltkathode 22 des Standes der Technik. Auf einen kostengünstigen Träger 201, z.B. einem keramischen Substrat, ist eine Leiterbahnschicht 202 o aufgedampft, auf dieser ist ferner eine Widerstandsschicht 203 aufgebracht. Auf der Widerstandsschicht 203 sind als feldüberhöhende Stukturen 70, auch (Elektronen)emitter genannt, Metall-Spitzen 70a aus Molybdän aufgebracht. Die Metall-Spitzen 70a sind beabstandet durch jeweils seitlich benachbart angeordnete Isolatoren 60. Beabstandet in der Höhe, d.h. von der 5 Widerstandsschicht 203 nach oben, ist auf der Oberfläche der Isolatoren 60 ein Gate 80, auch Gitter genannt, formschlüssig aufgebracht. Ein elektrisches Feld F (nicht dargestellt) wird zwischen die Metall-Spitzen 70a und das Gate 80, welches in der Funktion eines Extraktionsgitters aus einem metallischen Werkstoff besteht, angelegt. Das Gate 80 ist sowohl von der o Widerstandsschicht 203 als auch den Metall-Spitzen 70a elektrisch (isoliert) und räumlich getrennt und hat eine Öffnung von typischerweise einigen Mikrometern. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate 80 und den Emittern 70a beträgt typischerweise weniger als 100 Volt. Für Anwendungen beispielsweise in Flachbildschirmen müssen Gruppen (Pixels) von zehn bis 5 mehreren hundert solcher Mikrospitzeπ 70a parallel angesteuert werden kön¬ nen. Dies ist bei Röntgenröhren nicht zwingend notwendig. Fig. 3 zeigt im Querschnitt das Schema einer Röntgenröhre 11 , die in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer hohlzylindrischen Kaltkathode 21 und einer hohlzylindrischen Anorde 31, welche koaxial zueinander angeordnet sind, aufgebaut ist. Die gemeinsame Mittenachse beider 5 Hohlzylinder verläuft, wie im Querschnitt der Fig. 3 sichtbar, durch den gemeinsamen Mittelpunkt MP. Auf einem äusseren Vollkreis mit dem Radius r1 bezüglich des Mittelpunktes MP ist im Querschnitt die Kaltkathode 21 der Röntgenröhre 11 dargestellt. Die Kaltkathodenoberfläche weist, wie im Schema des Ausschnittes A herausgezogen und vergrössert dargestellt, eine Matrix mit o eingebetteten Kohlenstoff-Naπoröhrchen 71a als feld überhöhende Strukturen auf. Von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden bereits bei Raumtemperatur in Folge eines von aussen angelegten elektrischen Feldes F (nicht dargestellt ) Elektronen (e~) in den vakuumisierten Innenraum 40 der Röntgenröhre 11 abgegeben. Diese Elektronen (e") treffen somit beschleunigt auf das 5 anodenseitige Target 31 auf und bewirken bekannterweise die Emission von Röntgenstrahlung (γ). Die Röntgenstrahlung (γ) wird aufgrund der Anordnung der Anode 31 mit kleinerem Radius r2 bezüglich des Mittelpunktes MP in einen ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildeten Bestrahlungsraum 90 allseitig abgestrahlt. Unter Verwendung eines für Röntgenstrahlung (γ) nicht 0 transparenten Träger-Materials für die Kaltkathode 21 wird in der gezeigten Abbildung der Fig. 3 ein Transmissionsstrahler mit einer Diodenkonfiguration der Elektroden 21, 31 gebildet. Somit liegt die volle Hochspannung zwischen der kalten Elektronen (e') emittierenden Kathode 21 und der Anode 31 an, im Gegensatz zur anderen Anordnung ist hier kein Extraktionsgitter angeordnet. 5 Während die feldüberhöhenden Strukturen, insbesondere die Kohlenstoff- Nanoröhrchen 71 , in einer Matrix 71 a auf der Kaltkathodenoberfläche einge¬ bettet sind, vgl. Vergrösserung A, besteht das Trägermaterial (nicht dargestellt) der Kaltkathode 21 beispielsweise aus einem preisgünstigen keramischen Substrat. Dieses die Röntgenröhre 11 nach aussen hin abschliessende o Substrat bildet bereits den äusseren Abschluss des gesamten Röntgenröhrenraumes und umschliesst sowohl den vakuumisierten Innenraum 40 als auch den Bestrahlungsraum 90 in der Art einer Doppelwand. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen ist das Trägersubstrat aussen gegebenenfalls mit einer weiteren Schicht metallisiert oder umfasst eine nicht 5 dargestellte weitere Gehäusewandung aus Metall oder auch einem polymeren Werkstoff. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist bei der Verwendung von kalt Elektronen (e") emittierenden Kathoden 21 nur eine Kühlung der Anodenoberfläche notwendig. Die Kühlung kann mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel KM, wie beispielsweise Wasser, OeI oder Luft erfolgen. Der schematisch dargestellte Kühlmittel räum mit einem Radius r3 (r3 kleiner r2) vom Mittelpunkt MP der gemeinsamen Mittenachse von Anode 31 und Kaltkathode 21 5 ausgehend, umschliesst gemeinsam mit der Anode 31 den ebenfalls hohl- zylindrisch ausgebildeten Bestrahlungsraum 90. Als Material für die Anode 31 wird bekannterweise ein Metall mit hoher Ordnungszahl, z.B. Wolfram verwen¬ det, in der Ausführung der in Fig. 3 beschriebenen Kathodenoberflächen sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 71 oder auch andere verwendete feldüberhö- io hende Strukturen 70 dem lonenbeschuss ausgesetzt. Restgase (auch in tiefen Konzentrationen) können im Elektronenstrahl ionisiert werden. Sie können so¬ mit Energien entsprechend der voll angelegten Kathoden/Anoden-Spannung (nicht dargestellt) beim Auftreffen auf die Kaltkathode 21 erhalten. Allerdings können aufgrund der starken atomaren Bindung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen 15 71 diese den lonenbeschuss in einem gewissen Masse aushalten. Insbesondere aus Kostengründen ist der Aufbau einer Röntgenröhre 11 mit einer Rundstrahlertransmissionsanordnung nach Fig. 3 von Kaltkathode 21 und Anode 31 interessant, denn ohne Extraktionsgitter oder Gate kann die Strahleranordnung einfach und kostengünstig hergestellt werden. 20 Insbesondere ist ein vollflächiger Auftrag der feldüberhöhenden Struktur 71 auf ein keramisches Substrat herstellungstechnisch einfach möglich.
Fig. 4 zeigt im schematischen Querschnitt die Anordnung einer Kaltkathode 23 mit Extraktionsgitter 80; die zur Strahleranordnung zugehörige Anode ist nicht dargestellt. Auf einem Trägermaterial 201 , z.B. einem kosten- 25 günstigen keramischen Substrat, ist zunächst eine Schicht mit Leiterbahnen 202 aufgedampft. Die Leiterbahnschicht 202 dient zum Ansteuern der einzel¬ nen feldüberhöhenden Strukturen 71 an der Oberfläche der Kathode 23. Zwi¬ schen die Leiterbahnschicht 202 und die feldüberhöhende Struktur 71 ist eine Widerstandsschicht 203 in Reihe zu den feldüberhöhenden Strukturen 71 ein- 30 gebracht. Diese Widerstandsschicht 203 dient, gemäss dem bereits oben be¬ schriebenen dritten Lösungsansatz, zur Verbesserung der Stromdichte und Emitterdichte als Baiastwiderstand. Die Schichten 201, 202, 203 sind im Wesentlichen für Röntgenstrahlung transparent und auch resistent gegen die Strahlung. Das bedeutet, dass die Haftung, beziehungsweise die elektrische 35 Eigenschaften laπgzeitstabil sind. Als weiteres Problem wurde, wie bereits erwähnt, insbesondere die Emitterzerstörung in Folge der mangelnden Haftung des Emitters auf der Kathodenoberfläche erkannt. Die Emitterzerstörung kann unter Umständen mehr durch ström- und feldinduzierte Zerstörung als durch lonenbeschuss oder elektrische Entladungen erfolgen. Jedoch kann die mangelnde Haftung des Emitters sich in einer ungenügenden Langzeitstabilität der Strahlerleistung negativ auswirken. Demzufolge sind Massnahmen zu ergreifen, die die Langzeitstabilität der Strahlerleistuπg konstant halten; dies erfolgt, indem die Extraktionsspannuπg in Abhängigkeit der Zeit erhöht wird. Um eine zeitlich variable Extraktionsspannung zu gewährleisten, ist eine Anordnung der Elektroden in Triodenkonfiguration, wie in Fig.4 im Schema dargestellt, besonder vorteilhaft. Die Extraktionsspannung (nicht dargestellt) wird zwischen dem Gate 80 und der Kaltkathode 23 angelegt und beträgt typischerweise 10 bis 10'0OO Volt in Abhängigkeit von der Geometrie der feldüberhöhenden Strukturen 71 und dem Abstand zwischen Kathodenoberfläche und Gate 80; letzterer gekennzeichnet durch Pfeil d. In der in Fig. 4 gezeigten Ausführung sind die felderhöhenden Strukturen 71 weniger dem lonenbeschuss und vor allem weniger den möglichen elektrischen Hochspannungsentladungen ausgesetzt. Mit zusätzlichem Aufwand und damit auch mit zusätzlichen Kosten ist die räumliche und elektrische Trennung des Gates 80 von der Oberfläche der Kaltkathode 23 verbunden. Die elektrische/räumliche Trennung erfolgt mit einem Isolator 60, dessen Höhe bzw. Dicke dem Abstand (Pfeil d) vom Gate 80 zu der Oberfläche der Kaltkathode 23 entspricht. Die Isolatoren/Platzhalter 60 können, zum Beispiel wie die Kaltkathode 23 selbst, auch flächig ausgebildet sein und die Form beispielsweise einer perforierten Glas- oder Keramikplatte aufweisen. Jeder Platzhalter 60 besteht somit aus beispielsweise einem Glasstäbchen, was insbesondere bei grossflächiger Ausbildung der Kaltkathode preisgünstig ist. Als Gate 80 (auch Extraktionsgitter genannt) kann auf die von der Kathodenoberfläche abgewandte Stirnseite der Isolatoren 60 beispielsweise ein Metall aufgedampft sein. Ferner kann als Gate 60 auch ein Metallgitter mit variablem Lochabstand, im Querschnitt der Fig. 4 mit Pfeil c angedeutet, und mit variabler Stegbreite, im Querschnitt der Fig. 4 mit Pfeil b, angedeutet, verwendet werden. Bei der Ausführung der Triodenstrahleranordnung gemäss Fig. 4 muss grosser Wert auf die Geometrie des Gates 80 (Pfeile a - d), gelegt werden. Dabei legen die bereits erwähnten Pfeilen b und c das Perforationsmuster bzw. die Gitterstegöffnung des Isolators 60 fest, durch Pfeil d wird der Abstand der Kathodenoberfläche zum Gate 80 bestimmt und Pfeil a legt den Abstand zwischen zwei Isolatoren 60 fest. Durch die vorstehend genannten Werte der Bemessung (Pfeile a bis d) sind Leistungsverluste und die Extraktionsspannung bestimmt. Je grösser die abschirmende Fläche des Gates 80 gegen die Kathode 23 ist, wobei die Fläche für die Platzhal¬ ter/Isolatoren 60 weggerechnet wird, desto grösser werden die Verluste am Gate 80. In einem optimierten Design muss also die Gitterstegbreite (Pfeil b) möglichst klein und die Gitterstegöffnung (Pfeil c) möglichst gross bemessen sein. Während die Gitterstegöffnung (Pfeil c) nicht beliebig gross bemessen werden kann, da sonst das von aussen angelegte elektrische Feld F (nicht dar¬ gestellt) am Emitterort zu klein wird, muss die Gitterstegbreite (Pfeil b) ausrei- chend gross bemessen sein, damit das gitterförmige Gate 80 aufgrund der elektrostatischen Anziehung nicht zu stark deformiert wird. Aus letztgenanntem Grund kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn unterhalb eines jeden Gitterste¬ ges 80a ein separater Platzhalter/Isolator 60 angeordnet ist. Hierdurch wird der Abstand zwischen zwei Isolatoren (Pfeil a) genauso gross wie die Gitterstegöff- nung (Pfeil c).
In einem ersten Design der Kaltkathode 23 nach Fig.4 kann bei¬ spielsweise von folgenden Wertebereichen ausgegangen werden: (i) Abstand zwischen zwei Isolatoren (Pfeil a) 0,01 bis 2 mm; (ii) Gitterstegbreite (Pfeil b) 0,01 bis 0,2 mm; (iii) Gitterstegöffnung (Pfeil c) 0,01 bis 0,3 mm; (iv) Abstand der Kathodenoberfläche zum Gate (Pfeil d) 0,01 bis 2 mm.
Bei grossen Werten von dem Abstand der Oberfläche der Kathode 23 zum Gate 80 (Pfeil d) muss mit einer typischen Extraktionsspannung von mehreren tausend Volt gearbeitet werden. Hierdurch erhöhen sich die Leistungsverluste am Gate 80 erheblich. Bei einem Abstand des Gates 80 von der Oberfläche der Kathoden 23, der beispielsweise einige Dutzend μm beträgt, reicht allgemein elektrische Extraktionsspannung bis zu einigen hundert Volt aus, dafür ist aber das Risiko eines Kurzschlusses einer nicht lithografisch definierten Kathode relativ gross. Somit muss im Design der Kaltkathode 23 ein Kompromiss der genannten Abstände, angedeutet durch die Pfeile a, b, c und d gemacht werden. Es ist somit von weiterem Vorteil, die Kathode 23 mit einem lithografischen Verfahren herzustellen, wobei definierte Gate-, Isolator- und Emitterflächen im Mikrometerbereich verwendet werden.
Fig. 5a zeigt eine Transmissionsstrahleranordnung mit einer modu- lar zusammengesetzten Kaltkathode 24 bestehend aus mehreren Kaltkatho- denmodulen 25 und einer Anöde 32 in einem beliebig definierbaren Kreisseg¬ ment zur erfinduπgsgemässen Verwendung in einer Röntgenröhre. Auf dem äusseren Teilkreisabschnitt mit dem äusseren Radius r1 sind, wie schematisch dargestellt, mehrere Kaltkathodenmodule 25 im wesentlichen mit gleichem 5 Abstand angeordnet. Die Kaltkathodenmodule 25 weisen auf ihrer Oberfläche feldüberhöhende Strukturen (nicht dargestellt) auf, die bei Raumtemperatur bereits Elektronen (e~) in den vakuumisierten Innenraum 40 der Röntgenröhre abgeben. Alternativerweise können die Kaltkathodenmodule 25 gemäss die Ausführungsvariante in Fig. 4 bestückt sein. Die Elektronen (e~) treffen io beschleunigt auf ein anodenseitiges Target 32 auf. Bekannterweise wird hierdurch Röntgenstrahlung (γ) vom Target 32, z.B. in den Bestrahlungsraum 90 emittiert. Das anodenseitige Target 32 ist ebenfalls auf einem Teilkreisabschnitt, jedoch bezüglich des Mittelpunktes MP mit kleinerem Radius r2 angeordnet. Die modular aufgebaute Kaltkathode 24 und das 15 anodenseitiges Target 32 bilden einen Kreisringabschnitt, wobei dieser neben den Radien r1 und r2 durch die seitliche Begrenzung und damit durch die strichliert gezeichneten Schenkel des Winkels α variabel definierbar ist. Bei einer Bemessung des Winkels α mit 360° entsteht eine Rundtransmissionsstrahleranordnung analog zur Fig. 3, wobei die entspre- 20 chende Anzahl von Kaltkathodenmodulen 25 auf dem äusseren Kreisring, ohne Abstand, anzuordnen ist. Prinzipiell kann nicht nur die Emissionsfläche der Kaltkathoden 24 modular zusammengesetzt werden, sondern es können auch mehrere Transmissionsstrahleranordnungen wie in Fig. 5a gezeigt, beispielsweise vier Teilkreissegmentanordnungen mit einem Winkel von α = 25 90° bei gleichem äusserem Kaltkathodenradius r1 und innerem Aπodenradius r2 zu einer Rundtransmissioπsstrahleranordnung analog Fig. 3 zusammengesetzt werden. Grundsätzlich ist in der Anordnung von Kaltkathodenmodulen 25 und der Anode 32 gemäss Fig. 5a der Winkel von α zwischen 0 und 360° defiπierbar und die Radien r1 bzw. r2 in jedem Fall 30 grösser als Null μm zu bemessen, wobei in einer Verwendung dieser Anordnung, z.B. analog zu Fig. 3 in einer Röntgenröhre mit einer Transmissionsstrahleranordnung, die Differenz des äusseren Kaltkathodenradius r1 zum inneren Targetradius r2 die Beschleunigungs¬ strecke der Elektronen e" und damit den beispielsweise zu vakuumisierendeπ 35 Innenraum 40 und der Radius r2 den Bestrahlungsraum, bestimmt. Auf der Oberfläche des anodenseitigen Targets 32 zum Bestrahlungsraum 90 hin ist mit weiterem Radius r3 (wobei r3 kleiner als r1 und r2 gewählt ist) schematisch eine Schicht mit Kühlmitteln KM angedeutet. Wie bereits erwähnt, ist es bei dem Aufbau eines Transmissionsstrahlers mit Kaltkathoden vorteilhaft, dass nur anodenseitig eine Kühlung notwendig ist.
In Fig. 5b ist ebenfalls eine Transmissionsstrahleranordnung mit ei- ner modular zusammengesetzten Kaltkathode 24 dargestellt. Bei einer Bemes¬ sung der Radien r1 , r2 und r3 gegen unendlich und dem Winkel cc gegen 0°, was einen Spezialfall der Bemessung nach Fig. 5a darstellt, sind die modulare Kaltkathode 24 und das anodenseitige Target 32 mit Kühlmittelschicht KM, pa¬ rallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Mit dieser Anord- nung lassen sich Strahlervorrichtungen von mehreren Geräten (Röntgenröhren, Elektronenkaπonen) in Kombination realisieren. Beispielsweise können vier Strahler jeweils mit dem Winkel α von 90° oder nur zwei Strahler mit hohem Krümmungsradius r bzw. einer Kombination aus den vorgenannten Strahleranordnungen zusammengestellt werden. Diese Strahleranordnungen können entweder gemäss der bereits in Fig. 3 beschriebenen Diodenkonfiguration, d.h. ohne Extraktionsgitter oder gemäss Fig. 4 in Triodenfiguratioπ, d.h. mit Extraktionsgitter aufgebaut sein. Werden die einzelnen Kaltkathodenmodule 24 mit vollflächig an ihrer Oberfläche aufgetragenen feldüberhöhendeπ Strukturen ohne Abstand zusammengesetzt, entsteht dabei ebenfalls eine im Wesentlichen vollflächige Emissionsfläche der zusammengesetzten Kaltkathodenmodule 25. Bei einem Zusammensetzen der Kaltkathodenmodule 25 mit beliebig definierbaren seitlichen, vorderen und hinteren Abschnitten, wie in Fig. 5a und 5b im Querschnitt perlenschnurartig angedeutet ist, entstehen netzartige Strukturen der Oberfläche der modularen Kaltkathoden 25, die beliebig definiert werden können, dabei hängt die Maschenstruktur von der Form der einzelnen verwendeten Kaltkathoden 25 bzw. zusammenstellbarer Kaltkathodenmodule 24 und deren Anordnung ab. Prinzipiell ist auch analog zur modularen Ausführung der Kaltkathode 24 ein modularer Aufbau des anodenseitigen Targets möglich, jedoch aus Kostengründen ist, wie in den Fig. 3, 5a, 5b gezeigt, die Anode einstückig ausgebildet, was z.B. bei der Verwendung in Röntgenröhren mit hohlzylindrischer Ausbildung von Kaltkathode und Anode bzw. im Elektro¬ nenstrahler mit im Wesentlichen planparalleler Anordnung von Kaltkathode und Anode herstellungstechnisch einfach realisierbar ist. Fig. 6a zeigt analog zur Fig. 5a eine Anordnung von einer modular aufgebauten Kaltkathode 24 und Anode, ebenfalls in einem beliebig definierbaren Teilkreissegment. Im Gegensatz zu Fig. 5a ist jedoch in Fig. 6a eine Rückstrahleranordπung aufgebaut, wobei für die modulare Kaltkathode 24 ein für Röntgenstrahlung (γ) transparentes Material verwendet wird und die einzelnen Kaltkathodenmodule 25 auf einen inneren Kreisring mit dem Radius r1 (zum Bestrahlungsraum 90 hin beispielsweise wie in einer Röntgenröhre gemäss Fig. 3 gezeigt) und auf einem Süsseren Kreisriπg mit dem Radius r2 die Anode 32 mit Kühlschicht KM mit dem Radius r3 angeordnet ist. Somit ist der Radius r1 kleiner als der Radius r2 und dieser wiederum kleiner als der Radius r3 bemessen. Bei Verwendung einer derartigen Anordnung z.B. in einer Röntgenröhre werden von der modular aufgebauten Kaltkathode 24 Elektronen e" bei Raumtemperatur emittiert, die im vakuumisierten Innenraum 40 beschleunigt werden und auf das Target 32 treffen, wobei hierdurch wiederum Röntgenstrahlung (γ) vom anodenseitigen Target 32 in den Bestrahlungsraum 90 emittiert wird. Die Röntgenstrahlung (γ) gelangt durch das kaltkathodenseitig für Röntgenstrahlung (γ) transparente Kathodenmaterial in den Bestrahlungsraum 90, welcher bei dieser Anordnung von der Kaltkathode 24 umschlossen wird.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Elektronentransmissionsstrahler 12 mit modularer Kaltkathode 24, in einer Anordnung analog zu Fig. 5b, für die Verwendung des Elektronenstrahlers 12, in einer Elektronenkanone. Daher ist das anodenseitige Material durchlässig für Elektronenstrahlen ausgebildet, was in Fig. 7 angedeutet ist. Bei der Verwendung einer Elektronentransmissionsstrahleranordnung mit modular aufgebauter Kaltkathode 24 wird auf der Seite der Anode 33 entweder durch Luftkonvektion, Wasser oder sonstige spezielle Kühlung die Verlustwärme wegtransportiert. Um die Anode 33 für Elektronen (e") transparent auszubilden, ist insbesondere eine dünne Aπodenfolie mit Stützgitter zu verwenden. In Fig. 7 sind die Stützgitterstege 33a sichtbar. Bei Energien im Bereich von 80 - 300 kV beträgt die Dicke der Anodenfolie 33 typischerweise 3 - 200 μm. Die Kombination von der Anodenfolie 33 mit einem Stützgitter absorbiert einen Teil dereinfallenden Elektronen (e"), insbesondere das Stützgitter selbst. Unter der Voraussetzung, dass die Folie wie vorstehend beschrieben ausreichend dünn ist, und das Ver- hältnis von Gitterstegbreite zu Gitteröffnung des Stützgitters ausreichend klein ist, ist der Leistungsverlust relativ gering im Transmissionsfenster und beträgt durchschnittlich weniger als 30 % der einfallenden Leistung.
Prinzipiell können die oben genannten vorgeschlagenen Flächen¬ strahler und Rundstrahleranordnungen bzw. Transmissions- und Rückstrahleranordnungen als auch die herkömmliche Strahleranordnung in der Röntgenradiografie mit einer modular zusammengesetzten Kaltkathode und einer entsprechend angeordneten Anode aufgebaut werden. Zum Aufbringen der feldüberhöhenden Strukturen auf die Oberfläche der Kaltkathode, welche die Emissionsfläche für die Elektronen im Wesentlich darstellt, eignen sich alle weiter oben genannten Verfahren. Das modulare Zusammensetzen einzelner Kaltkathodenelemente als auch von aus diesen aufgebauten Strahlersegmenten, eignet sich insbesondere für die grossflächige Ausbildung von ebenen und gekrümmten Emissionsflächen bzw. Bestrahluπgsflächen. Hierdurch ist der Aufbau von jedweden gewünschten Geometrien des Bestrahlungsraumes als auch der Anordnung eines Strahlers um jedwede Geometrie eines Bestrahlungsobjektes möglich, besonders grossflächig und definierbar können in der Fläche bzw. im Raum Hochdosisstrahler angeordnet werden. An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass es vier grundsätzliche Anordnungen im Aufbau des Strahlers geben kann:
1. Kathode innen, Anode aussen, Strahlung nach innen (Rückstrahler)
2. Kathode aussen, Anode innen, Strahlung nach innen (Transmissionsstrahler)
3. Kathode innen, Anode aussen, Strahlung nach aussen Transmissionsstrahler)
4. Kathode aussen, Anode innen, Strahlung nach aussen (Rückstrahler).
Während alle Anordnungen für Röntgenstrahler möglich sind, kommen für Elektroneπkanoneπ nur die Anordnungen als Transmissionsstrahler in Frage, in der immer eine transparente Anode den Durchgang der Elektronen aus dem Vakuumraum ermöglicht. Die Vorteile der Erfindung seien nachfolgend zusammengefasst: ne¬ ben einer hohen Dosisleistung kann die Kaltkathode insbesondere bei vollflä¬ chigem Auftrag der feldüberhöhenden Strukturen wirtschaftlich hergestellt wer¬ den, die Kaltkathode weist insbesondere geringe thermische Verluste auf und erfordert aufgrund ihrer Emission bei Raumtemperatur keine zusätzliche Küh¬ lung, durch Verwendung entweder von für Röntgenstrahlen transparentem Ka¬ thodenmaterial oder nicht für Röntgenstrahlen transparentem Kathodenmaterial ist die Ausbildung eines Rückstrahlers- oder eines Transmissioπstrahlers möglich. Die Kombination der Verwendung von feldüberhöhenden Strukturen für eine Kaltkathode und eine definierte Kaltkathodengeometrie mittels spezifisch im Schichtaufbau feldüberhöhender Strukturen auf einer Trägerschicht, dem definierten Ausbilden weiterer Funktioπsschichten und insbesondere die definierte Geometrie der Kontaktflächen zwischen Trägerschicht und (e~)-emittierender Schicht ermöglichen den Aufbau insbesondere einer grossflächigen bzw. modularen zusammensetzbaren Kaltkathode und bei entsprechender Ausbildung der Anode einen grossen Bestrahlungsraum frei definierbarer Form. Ebenfall ist die partielle Bestrahlung am Objekt, z.B. durch definierte Anordnung einzelner Kaltkathodenmodule, möglich.
Die oben aufgeführten Vorteile gelten für einen Röntgenstrahler wie für eine Elektronenkanone. Im ersten Fall ist die Anode so ausgelegt, dass alle auftreffenden Elektronen absorbiert und zur Erzeugung von Röntgenstrahlen genutzt werden. Im zweiten Fall ist die Anode so ausgelegt, dass die Elektronen die Anode im Wesentlichen durchdringen und direkt zur Bestrahlung verwendet werden können.
Next Patent: CHARGE NEUTRALIZATION DEVICE