DE102008020187A1 - Cathode, has flat emitter emitting electrons, and emission layer with circular cross section arranged on emitter, where material of emission layer has lower emission function than that of material of emitter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Flachemitter.The The invention relates to a cathode with a flat emitter.
Eine
Kathode mit einem Flachemitter ist jeweils für sich z.
B. in der
Die
aus der
Durch
Form, Länge und Anordnung der seitlichen Einschnitte lassen
sich im Flachemitter gemäß der
Die
in der
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 für Flachemitter stellt damit eine intrinsische Schwachstelle dar, die die Lebensdauer der Kathode negativ beeinflussen kann.A Increasing the performance is known in the art Cathodes achieved in that the flat emitter by so-called "push" currents its Electron emission temperature reached particularly fast. By These high heating currents come from the material of the flat emitter however, to its load limit. In the flat emitter can due to a production-related rolling texture a long and high thermal stress cracks form the transverse to the weakest production direction of the flat emitter run. The use of rolled tungsten sheets for Flat emitter thus represents an intrinsic weak point, the can negatively affect the life of the cathode.
Die lange und hohe thermische Belastung des Flachemitters führt auch dazu, dass Material aus dem Flachemitter abdampft, obwohl es sich bei dem Material um Wolfram handelt, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt (3.422°C). Der Flachemitter wird dadurch so dünn, dass er den bei einer Drehkolbenröhre auftretenden mechanischen Beanspruchungen, insbesondere den Fliehkräften, sowie den thermo-mechanischen Beanspruchungen nicht mehr standhalten kann. Damit sind geplante Leistungssteigerungen mit einem Flachemitter aus Wolfram, Tantal oder Rhenium nicht möglich.The long and high thermal load of the flat emitter leads also that material evaporates from the flat emitter, though it the material is tungsten, the metal with the highest Melting point (3,422 ° C). The flat emitter thus becomes so thin that he is the one occurring in a rotary tube mechanical stresses, especially centrifugal forces, and the thermo-mechanical stresses no longer withstand can. Thus are planned performance increases with a flat emitter made of tungsten, tantalum or rhenium not possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode mit einer hohen Elektronenemission und einer hohen Lebensdauer zu schaffen.task The present invention is to provide a cathode with a high To provide electron emission and a long life.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The The object is achieved by a cathode solved according to claim 1. Advantageous embodiments The cathode according to the invention are each the subject of further claims.
Die Kathode nach Anspruch 1 umfasst einen Flachemitter aus einem Material, das Elektronen thermisch emittiert, wobei auf dem Flachemitter zumindest eine Emissionsschicht aus einem Material angeordnet ist, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit (Φ) aufweist als das Material des Flachemitters, und wobei die Emissionsschicht einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.The Cathode according to claim 1 comprising a flat emitter of a material, which emits electrons thermally, wherein on the flat emitter at least an emission layer of a material is arranged, which is a has lower electron work function (Φ) than that Material of the flat emitter, and wherein the emission layer has a has circular cross-section.
Bei der Kathode gemäß Anspruch 1 dient der Flachemitter, der z. B. aus Wolfram (W), Tantal (Ta) oder Rhenium (Re) besteht, im Wesentlichen als Träger für die aufgebrachte Emissionsschicht, deren Material eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit aufweist als das Material des Flachemitters. Bei Verwendung der üblichen Materialien (z. B. W, Ta, Re) für den Flachemitter (Träger für die eine bessere Elektronenemission aufweisende Emissionsschicht) sind beim Einbau des Flachemitters in die erfindungsgemäße Kathode keine Änderungen gegenüber den bisherigen Montageschritten erforderlich, da nach wie vor eine gute Schweißbarkeit der Stromzuführungsbeinchen des Flachemitters gegeben ist.at the cathode according to claim 1 serves the flat emitter, the z. Tungsten (W), tantalum (Ta) or rhenium (Re), essentially as a carrier for the applied Emission layer whose material has a lower electron work function has as the material of the flat emitter. When using the usual Materials (eg W, Ta, Re) for the flat emitter (carrier for the better electron-emitting emission layer) are in the installation of the flat emitter in the inventive Cathode no changes over the previous ones Assembly steps required, as still a good weldability the Stromzuführungsbeinchen the flat emitter is given.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, auf den Flachemitter zumindest teilweise eine Emissionsschicht aufzubringen, die eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit aufweist als der Flachemitter, ist ohne eine Temperaturerhöhung, die die Lebensdauer des Flachemitters beeinflusst, eine deutlich höhere Elektronenemission realisierbar. Damit sind Röntgenröhren mit der erfindungsgemäßen Kathode auch für außermedizinische Einsatzbereiche einsetzbar. In der Regel kann die Betriebstemperatur des Flachemitters sogar abgesenkt werden und man erhält dann immer noch eine Elektronenemission wie bei einem Flachemitter aus Wolfram, Tantal oder Rhenium. Damit wird eine signifikante Leistungssteigerung, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen oder sogar längeren Lebensdauer erzielt.The inventive measure, at least partially apply an emission layer on the flat emitter, which has a lower electron work function than the flat emitter, a significantly higher electron emission can be realized without a temperature increase, which affects the life of the flat emitter. Thus, x-ray tubes with the cathode according to the invention can also be used for non-medical applications. As a rule, the operating temperature of the flat emitter can even be lowered, and one then still obtains an electron emission, as with a flat emitter of tungsten, tantalum or rhenium. This will add a significant increase in performance at the same time ensuring a long or even longer service life.
Da bei der Kathode nach Anspruch 1 der Flachemitter als Träger für die Emissionsschicht dient, muss der Flachemitter nicht notwendigerweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium bestehen, sondern kann auch aus einem Material bestehen, das eine höhere Elektronenaustrittsarbeit und damit eine geringe Elektronenemission aufweist. Besteht der Flachemitter jedoch aus Wolfram, Tantal oder Rhenium, dann ist auch bei beschädigter Emissionsschicht durch eine Erhöhung des den Flachemitters speisenden Heizstromes noch eine ausreichend hohe Elektronenemission realisierbar.There in the cathode according to claim 1, the flat emitter as a carrier does not need the flat emitter for the emission layer necessarily consist of tungsten, tantalum or rhenium, but can also consist of a material that has a higher electron work function and thus has a low electron emission. Is that the However, flat emitter of tungsten, tantalum or rhenium, then too if the emission layer is damaged by an increase of the flat emitter feeding heating current still sufficient high electron emission feasible.
Bei der erfindungsgemäßen Kathode können durch die Wahl eines geeigneten Materials für die Emissionsschicht temperaturbedingte Abdampfungseffekte sowie mechanische und thermomechanische Belastungen entsprechend reduziert werden. Damit sind keine Änderungen an der Geometrie des Flachemitters, die Abdampfungseffekte und (thermo-)mechanische Belastungen berücksichtigen, notwendig. Darüber hinaus muss die Steuerungselektronik für zukünftig gewünschte Dosismodulationen nicht mehr so hohe elektrische Heizströme schalten, wie dies bei Kathoden gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufwand für die der Kathode zugeordnete Leistungselektronik.at the cathode of the invention can by the choice of a suitable material for the emission layer Temperature-related evaporation effects as well as mechanical and thermomechanical Loads are reduced accordingly. There are no changes on the geometry of the flat emitter, the evaporation effects and (thermo) mechanical Consider loads, necessary. About that In addition, the control electronics for future desired dose modulation no longer so high electrical Switch heating currents, as in cathodes according to the The state of the art is the case. This simplifies the constructive Expenditure for the power electronics associated with the cathode.
Aufgrund des kreisförmigen Querschnittes der Emissionsschicht ist der Bereich der hohen Elektronenemission scharfkantig begrenzt. Dadurch kann man die Brennfleckgröße auf der Anode verkleinern und den Brennfleck scharf begrenzen.by virtue of of the circular cross section of the emission layer the area of high electron emission is sharply edged. This allows you to change the focal spot size on the anode zoom out and sharply narrow the focal spot.
Vorzugsweise weist die Emissionsschicht einen Durchmesser von circa 5 mm und/oder eine Schichtdicke von ca. 50 μm auf.Preferably the emission layer has a diameter of about 5 mm and / or a layer thickness of about 50 microns.
In vorteilhafter Weise besteht die Emissionsschicht aus einem Bulk-Material (z. B. rund-geschmiedeter Draht) und kann entweder in einer Vertiefung des Flachemitters eingebettet oder auf einer planen Oberfläche des Flachemitters angeordnet sein.In Advantageously, the emission layer consists of a bulk material (eg round-forged wire) and can either be in a recess flat emitter embedded or on a flat surface be arranged of the flat emitter.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Flachemitter angeordnete Emissionsschicht aus Wolfram (W) besteht, das mit Lanthanoxid (La2O3) dotiert ist. Lanthanoxid besitzt eine sehr geringe Elektronenaustrittsarbeit (Φ) von nur ca. 1 eV(ΦW = 5 eV, ΦTa = 4 eV, ΦRe = 4 eV). Damit liegt die Betriebstemperatur des Flachemitters für eine Elektronenemission im bisherigen Umfang um ca. 1.000 K niedriger. Die beschriebenen Abdampfungseffekte gehen damit gegen Null. Die mechanischen und die thermo-mechanischen Belastungen sind gegenüber Flachemittern nach dem Stand der Technik um mehr als 50% reduziert. Da die zu schaltenden elektrische Heizströme deutlich geringer sind, kann die der Kathode zugeordnete Leistungselektronik entsprechend kleiner dimensioniert werden.A particularly advantageous embodiment of the cathode according to the invention is characterized in that the emission layer arranged on the flat emitter consists of tungsten (W) which is doped with lanthanum oxide (La 2 O 3 ). Lanthanum oxide has a very low electron work function (Φ) of only about 1 eV (Φ W = 5 eV, Φ Ta = 4 eV, Φ Re = 4 eV). Thus, the operating temperature of the flat emitter for electron emission is lower by about 1,000 K to the previous extent. The described Abdampfungseffekte go so close to zero. The mechanical and thermo-mechanical loads are reduced by more than 50% compared to flat emitters according to the prior art. Since the electrical heating currents to be switched are significantly lower, the power electronics associated with the cathode can be dimensioned correspondingly smaller.
Die Emissionsschicht kann beispielsweise als Halbzeug vorgefertigt sein und dann mittels eines HIP-Verfahrens (Heiß-Isostatisch Pressen), evtl. unter Verwendung eines Haftmittels (Tantal oder ein anderes Refraktärmetall), mit dem Flachemitter verbunden werden.The Emission layer can be prefabricated, for example, as a semi-finished product and then by means of a HIP process (hot isostatic Pressing), possibly with the use of an adhesive (tantalum or another refractory metal) connected to the flat emitter become.
Alternativ kann die Verbindung zwischen der Emissionsschicht (Halbzeug) und dem Flachemitter durch Hochtemperaturlöten erfolgen. Hierfür geeignete Lote enthalten als Bestandteile Zirconium (Zr), Vanadium und Zirconium (VZr) oder Titan (Ti).alternative can the connection between the emission layer (semi-finished) and the flat emitter by high temperature soldering done. Therefor suitable solders contain as components zirconium (Zr), vanadium and zirconium (VZr) or titanium (Ti).
Der Flachemitter, auf den die Emissionsschicht aufgebracht ist, muss nicht notwendigerweise aus Wolfram (W), Tantal (Ta) oder Rhenium (Re) bestehen. Im Rahmen bevorzugter Ausgestaltungen kann der Flachemitter auch aus Titandiborid (TiB2), Siliziumcarbid (SiC) oder Tantalcarbid bestehen.The flat emitter to which the emission layer is applied does not necessarily consist of tungsten (W), tantalum (Ta) or rhenium (Re). Within the scope of preferred embodiments, the flat emitter may also consist of titanium diboride (TiB 2 ), silicon carbide (SiC) or tantalum carbide.
Alternativ zu einer Emissionsschicht aus Wolfram, das mit Lanthanoxid dotiert ist, kann die Emissionsschicht auch aus Wolfram (W) bestehen, das mit Thoriumdioxid (ThO2) legiert ist. Bei einer derartigen Emissionsschicht kann eine eventuell nachlassende Elektronenemission durch einen elektrischen Refresh-Strom, durch den der Flachemitter kurzfristig auf ca. 2.500°C aufgeheizt wird, behoben werden. Durch die kurzzeitige Temperaturerhöhung auf ca. 2.500°C diffundiert das Thorium zur Oberfläche der Emissionsschicht. Nach dieser ”Tune-up”- Maßnahme ist erneut eine erhöhte Elektronenemission verfügbar.Alternatively to an emission layer of tungsten doped with lanthana, the emission layer may also consist of tungsten (W) alloyed with thoria (ThO 2 ). In the case of such an emission layer, a possibly decreasing electron emission can be remedied by an electrical refresh current, by means of which the flat emitter is briefly heated to approximately 2,500 ° C. Due to the short-term increase in temperature to about 2,500 ° C, the thorium diffuses to the surface of the emission layer. After this "tune-up" measure is again an increased electron emission available.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Flachemitter angeordnete Emissionsschicht aus Tantal (Ta) besteht. Schließlich hat sich auch eine Emissionsschicht aus Titancarbid (TiC) als vorteilhaft erwiesen. Sowohl Tantal als auch Titancarbid besitzen eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit als Wolfram.A Another alternative embodiment of the cathode is characterized in that that arranged on the flat emitter emission layer of tantalum (Ta) exists. Finally, there is also an emission layer Of titanium carbide (TiC) proved to be advantageous. Both tantalum Also titanium carbide have a lower electron work function as tungsten.
Nachfolgend sind zwei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele von Flachemittern erfindungsgemäßer Kathoden in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:following are two schematically illustrated embodiments of flat emitters cathodes according to the invention the drawing explained in more detail, but without it to be limited. Show it:
In
Bei
dem in
Die
Emissionsschicht
Die
Verbindung zwischen der Emissionsschicht
Bei
dem in
Auch
in diesem Fall besteht die Emissionsschicht
Die
Verbindung zwischen der Emissionsschicht
Abhängig
vom Anwendungsfall sind für die Emissionsschichten
Für
die beiden in
Aufgrund
des kreisförmigen Querschnittes der Emissionsschichten
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 2727907 C2 [0002, 0003, 0004] - DE 2727907 C2 [0002, 0003, 0004]
- - DE 19914739 C1 [0002, 0005] - DE 19914739 C1 [0002, 0005]
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DE102008020187A DE102008020187A1 (en) | 2008-04-22 | 2008-04-22 | Cathode, has flat emitter emitting electrons, and emission layer with circular cross section arranged on emitter, where material of emission layer has lower emission function than that of material of emitter |
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