DE102008020164A1

DE102008020164A1 - Kathode mit einem Flachemitter

Info

Publication number: DE102008020164A1
Application number: DE102008020164A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-10-29
Also published as: US20090284121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Flachemitter, der erfindungsgemäß aus einem elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff besteht. Eine derartige Kathode besitzt eine hohe Elektronenemission und eine hohe Lebensdauer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Flachemitter.
Eine Kathode mit einem Flachemitter ist jeweils für sich z. B. in der DE 27 27 907 C2 und in der DE 199 14 739 C1 beschrieben.
Die aus der DE 27 27 907 C2 bekannte Kathode umfasst einen rechteckförmigen Flachemitter, der beispielsweise aus Wolfram (W), Tantal (Ta) oder Rhenium (Re) besteht und eine Schichtdicke von 0,05 mm bis 0,1 mm besitzt. Der im Walzverfahren hergestellte Flachemitter weist Einschnitte auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Im Betrieb der Röntgenröhre wird an den Flachemitter der Kathode Heizspannung angelegt, wobei Heizströme von 5 A bis 15 A fließen und Elektronen emittiert werden, die in Richtung einer Anode beschleunigt werden. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode wird in der Oberfläche der Anode Röntgenstrahlung erzeugt.
Durch Form, Länge und Anordnung der seitlichen Einschnitte lassen sich im Flachemitter gemäß der DE 27 27 907 C2 spezielle Formen der Temperaturverteilung erzielen, da die Erwärmung eines durch Stromdurchgang aufgeheizten Körpers von der Verteilung des elektrischen Widerstandes über den Strompfaden abhängt. Somit wird an Stellen, an denen der elektrisch wirksame Blechquerschnitt des Flachemitters größer ist, weniger Hitze erzeugt als an Stellen mit einem kleineren Querschnitt (Stellen mit einem größeren elektrischen Widerstand).
Die in der DE 199 14 739 C1 offenbarte Kathode umfasst einen Flachemitter, der aus gewalztem Wolfram-Blech besteht und eine kreisförmige Grundfläche aufweist. Der Flachemitter ist in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt, die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander beabstandet sind.
Eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit wird bei den bekannten Kathoden dadurch erreicht, dass der Flachemitter durch so genannte ”Push”-Ströme seine Elektronenemissionstemperatur besonders schnell erreicht. Durch diese hohen Heizströme kommt das Material des Flachemitters jedoch an seine Belastungsgrenze. Im Flachemitter können sich aufgrund einer fertigungstechnisch bedingten Walztextur bei einer langen und hohen thermischen Belastung Anrisse bilden, die quer zur schwächsten Fertigungsrichtung des Flachemitters verlaufen. Die Verwendung von gewalztem Wolfram-Blechen stellt damit eine intrinsische Schwachstelle dar, die die Lebensdauer der Kathode negativ beeinflussen kann.
Die Verwendung von WRe26 (Wolfram-Legierung mit 26% Rhenium) als Material für den Flachemitter ist aufgrund der geringen Kriechbeständigkeit von WRe26 nicht geeignet. Unter Kriechen versteht man die plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter mechanischer Beanspruchung und erhöhter Temperatur. Eine geringe Kriechbeständigkeit ist aufgrund einer daraus resultierenden starken plastischen Verformung des Werkstoffs gleichbedeutend mit einer geringen Lebensdauer des Flachemitters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer hohen Lebensdauer zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Flachemitter, der erfindungsgemäß aus einem elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff besteht.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, den Flachemitter aus einem elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff herzustellen, ist eine deutlich höhere Elektronenemission, d. h. eine signifikante Leistungssteigerung, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Lebensdauer realisierbar.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathode ist der elektrisch leitfähige Keramik-Werkstoff Titandiborid (TiB₂).
Titandiborid weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. So weist Titandiborid einen Schmelzpunkt von 3.220°C auf und liegt damit in der gleichen Größenordnung wie Wolfram (3.410°C). Aufgrund des keramischen Charakters von TiB₂ ist in Verbindung mit dem sehr hohen Schmelzpunkt ein deutlich verbessertes Kriech- und Festigkeitsverhalten gegeben. Der spezifische elektrische Widerstand von Titandiborid (ρ = 16 μΩ·cm) ist nur geringfügig höher als der von Wolfram (ρ = 5,6 μΩ·cm). Darüber hinaus ist die Elektronenaustrittsarbeit (Φ) um etwa 0,5 eV niedriger als die von Wolfram, die ca. 4,9 eV beträgt. Damit emittiert ein Flachemitter aus Titandiborid bei gleicher Temperatur deutlich mehr Elektronen als Wolfram. Schließlich ist TiB₂ in einfacher Weise lötbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann als elektrisch leitfähiger Keramik-Werkstoff Siliziumcarbid (SiC) eingesetzt werden, auf das ein Beschichtungsmaterial mit einer niedrigen Elektronenaustrittsarbeit, z. B. Lanthanoxid (La₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Thoriumdioxid (ThO₂), aufgebracht ist.
Die bevorzugte Wanddicke für den elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff beträgt ca. 80 μm bis ca. 150 μm. Die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials liegt vorzugsweise zwischen ca. 80 nm und 3 μm.
Ein für die erfindungsgemäße Kathode geeigneter Flachemitter wird durch Sintern hergestellt. Hierzu wird zunächst aus den in einem vorherigen Fertigungsschritt verdichteten Masseteilchen ein Grünling derart geformt, dass dieser die Form eines Fingerhuts aufweist. Diese Bearbeitung ist auf einfache Weise möglich, da die Endhärte erst durch den nachfolgenden eigentlichen Sintervorgang entsteht. Der Grünling ist derart geformt, dass der herzustellende Flachemitter geometrisch vollständig im Keramik-Werkstoff integriert ist, wobei die Sinter-Schrumpfung berücksichtigt ist. Nach dem anschließenden Sintern wird der Flachemitter mittels Funkenerodieren so aus dem gesinterten Grünling herausgeschnitten, dass die Stromzuführungsbeinchen des Flachemitters stehen bleiben. Anschließend werden die Einschnitte, die z. B. wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind oder die eine Mäanderstruktur aufweisen, mittels Verdampfen durch Laser erzeugt.
Abschließend wird an die Enden der Stromzuführungsbeinchen des Flachemitters jeweils ein Kontaktstück aus Wolfram angelötet, so dass die elektrische Verbindung zu den Stromzuführungsleitungen wie bisher aus einer mischkristallgehärteten und teilchenverstärkten Molybdän-Basislegierung gefertigt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2727907 C2 [0002, 0003, 0004]
- DE 19914739 C1 [0002, 0005]

Claims

Kathode mit einem Flachemitter, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachemitter aus einem elektrisch leitfähigen Keramik-Werkstoff besteht.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Keramik-Werkstoff Titandiborid (TiB₂) ist.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Keramik-Werkstoff Siliziumcarbid (SiC) ist, auf das ein Beschichtungsmaterial mit einer niedrigen Elektronenaustrittsarbeit aufgebracht ist.
Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) ist.
Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Yttriumoxid (Y₂O₃) ist.
Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Thoriumdioxid (ThO₂) ist.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der elektrisch leitfähige Keramik-Werkstoff eine Wanddicke von mindestens 50 μm aufweist.
Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial eine Schichtdicke von mindestens 80 nm aufweist.