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Die Erfindung betrifft einen Flachemitter.
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Ein derartiger Flachemitter ist z.B. in der
DE 27 27 907 C2 beschrieben. Der bekannte Flachemitter weist einen Grundkörper mit einer rechteckförmigen Emitterfläche auf. Der Grundkörper bzw. die Emitterfläche besitzt eine Schichtdicke von ca. 0,05 mm bis ca. 0,2 mm und besteht z.B. aus Wolfram, Tantal oder Rhenium. Bei Wolfram ist es außerdem bekannt, eine Kalium-Dotierung vorzunehmen. Der im Walzverfahren hergestellte Flachemitter weist Einschnitte auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Beim Betrieb der Röntgenröhre wird an den Flachemitter der Kathode Heizspannung angelegt, wobei Heizströme von ca. 5 A bis ca. 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.
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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).
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Der in der
DE 199 14 739 C1 offenbarte Flachemitter umfasst wiederum einen Grundkörper, der aus gewalztem Wolfram-Blech besteht und in diesem Fall eine kreisförmige Emitterfläche aufweist. Die Emitterfläche ist in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt, die durch mäanderförmige Einschnitte voneinander beabstandet sind.
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In der
EP 0 235 619 B1 ist ein Flachemitter bekannt, der einen als "Bandemitter" bezeichneten Grundkörper aufweist, der mindestens zwei Schichten umfasst. Die Schichten bestehen aus unterschiedlichen Materialien (z.B. mechanisch stabiles Wolfram und mechanisch elastisches Tantal) oder weisen unterschiedliche Gefüge bzw. Strukturen auf (normal strukturiertes polykristallines Wolfram). Durch diese Maßnahmen wird die Stabilität des Flachemitters verbessert.
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Durch die
DE 102 11 947 A1 ist ein Flachemitter bekannt, dessen Grundkörper bzw. Emitterfläche beim Anlegen einer Heizspannung von einem Heizstrom durchflossen wird. Der Heizstrom erzeugt ein Magnetfeld, das einen störenden Einfluss auf die Fokussierung der von der Emitterfläche emittierten Elektronen ausübt. Um dieses störende Magnetfeld zumindest teilweise zu kompensieren, wird ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld durch einen gegensinnig zum Heizstrom gerichteten Kompensationsstrom erzeugt. Der Kompensationsstrom kann beispielsweise durch eine Rückführung des Heizstroms unterhalb der Emitterfläche erzeugt werden.
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In der
US 8,254,526 B2 ist ein Flachemitter mit einem Grundkörper beschrieben, der eine rechteckige Emitterfläche aufweist. Beide Längsseiten der Emitterfläche weisen jeweils eine Profilerhöhung (z.B. Abbug oder Stufung) auf. Dadurch soll die Fokussierung der emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl verbessert werden.
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Aus der
DE 10 2008 046 721 B4 ist ein Parallel-Flachemitter bekannt, der einen Grundkörper mit wenigstens zwei zueinander beabstandeten Emitterflächen umfasst. An die Emitterflächen ist wenigstens eine elektrisch leitfähige Sperrelektrode herangeführt, die galvanisch vom Parallel-Flachemitter getrennt ist. Die zueinander beabstandeten Emitterflächen bilden somit wenigstens zwei parallel geschaltete Teilemitter, die bei kleinerer Sperrspannung als ein Emitter gleicher Fläche gittersperrbar sind, so dass eine schnelle Sperrbarkeit der Elektronenemission gewährleistet ist.
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Die
DE 10 2009 005 454 B4 beschreibt einen indirekt beheizten Flachemitter. Der Flachemitter umfasst einen Hauptemitter und einen dazu beabstandeten Heizemitter, die beide eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Der Hauptemitter weist eine unstrukturierte Hauptemissionsfläche auf, also eine homogene Emissionsfläche ohne Schlitze. Der direkt geheizte Heizemitter weist eine strukturierte Heizemissionsfläche auf, also eine Emissionsfläche mit Schlitzen oder mäanderförmigen Bahnen. Die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und gegeneinander isoliert.
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Die beschriebenen Flachemitter werden aus gewalzten Flachmaterialien hergestellt. Durch eine mechanische Bearbeitung (z.B. Schneiden oder Sägen) werden die Grundkörper und damit auch die Emitterflächen in eine gewünschte Form (z.B. rechteckig oder kreisförmig) gebracht. Die für den Heizstrom erforderlichen Strompfade werden durch eine Strukturierung des Grundkörpers bzw. des Flachemitters hergestellt. Die hierfür notwendigen Einschnitte im Grundkörper werden ebenfalls durch eine mechanische Bearbeitung vorgenommen. Die notwendigen elektrischen Anschlüsse für die Heizstromversorgung und die erforderlichen mechanischen Halterungen werden entweder wiederum durch eine mechanischen Bearbeitung (z.B. bei der Formgebung des Grundkörpers bzw. der Emitterfläche) und/oder durch eine stoffschlüssige Verbindung (z.B. Verschweißen mit dem Grundkörper bzw. der Emitterfläche) hergestellt.
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Herstellungsbedingt können bei den bekannten Flachemittern in den Randbereichen der Strukturierungen Brüche bzw. Rissbildungen an Korngrenzen auftreten. Auch Verspannungen im Flachemitter, die im eingebauten Zustand über die elektrischen Anschlüsse und/oder über die mechanischen Halterungen auf den Grundkörper und damit auf die Emitterfläche einwirken, können zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer des Flachemitters führen.
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Darüber hinaus ist bei Flachemittern mit Beinchen (nicht direkt geschweißte Flachemitter) ein Biegen der Beinchen nur bis zu einer Emitterdicke von ca. 150 μm möglich.
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Die vorgenannten Verspannungen treten insbesondere bei kurzzeitig hohen Emitterheizströmen, dem sogenannten "Pushen" auf. Dieses Pushen kann zu lokalen Temperaturüberhöhungen führen. Um diese Verspannungen zu reduzieren, werden die beschriebenen konstruktiven Maßnahmen ergriffen, wie z.B. Optimierung der Strompfade für den Heizstrom und/oder Erhöhung der Schichtdicke des Flachemitters.
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Eine höhere Schichtdicke führt zu einer höheren thermischen Trägheit, so dass ein ausreichend schneller Emissionsstromwechsel über eine Temperaturänderung des Flachemitters nicht mehr gewährleistet ist. Andererseits können lokale Temperaturüberhöhungen beim Pushen noch größer ausfallen, wodurch die Lebensdauer abnimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Flachemitter zu schaffen, der auch bei hohen thermischen Anforderungen eine konstante elektronenoptische Fokussierung sowie eine längere Lebensdauer aufweist und auf konstruktiv einfache Weise an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Flachemitter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flachemitters sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der Flachemitter gemäß Anspruch 1 umfasst einen Grundkörper mit wenigstens einer Emitterfläche. Erfindungsgemäß ist der Grundkörper ein monolithischer Grundkörper.
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Wird an den Grundkörper des erfindungsgemäßen Flachemitters eine Heizspannung angelegt, fließt ein Heizstrom durch die Emitterfläche und heizt diese auf, wodurch Elektronen emittiert werden.
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Bei dem Flachemitter nach Anspruch 1 wird die Emitterfläche nicht durch ein Auswalzen eines Flachmaterials hergestellt, sondern erfindungsgemäß aus einem monolithischen Grundkörper gefertigt. Damit entfällt die Problematik von durch das Auswalzen erzeugten Verspannungen im Flachmaterial. Weiterhin entstehen bei einem Aufheizen des monolithischen Grundkörpers auf eine Temperatur oberhalb der sekundären Rekristallisationstemperatur keine Körner, die sich über die gesamte Schichtdicke des Flachemitters erstrecken. Damit werden durch die erfindungsgemäße Lösung Bruchstellen im Flachemitter stark reduziert bzw. im günstigsten Fall vermieden. Der Flachemitter gemäß Anspruch 1 weist damit auch bei hohen thermischen Anforderungen potentiell eine längere Lebensdauer auf. Da der Flachemitter gemäß Anspruch 1 aus einem monolithischen Grundkörper gefertigt ist, kann dieser darüber hinaus auf einfache Weise an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Dadurch, dass der erfindungsgemäße Flachemitter einen monolithischen Grundkörper umfasst, wird die aus dem Stand der Technik bekannte quasi-zweidimensionale Emitterstruktur, die im Wesentlichen nur einen zweidimensionalen Stromfluss erlaubt, zu einer dreidimensionalen Emitterstruktur weiterentwickelt. Damit ist bei dem Flachemitter nach Anspruch 1 ein dreidimensionaler Stromfluss realisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 ist der monolithische Grundkörper zumindest teilweise durch ein subtraktives Herstellverfahren aus einem monolithischen Block hergestellt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 ist der monolithische Grundkörper zumindest teilweise durch ein additives Herstellverfahren (Additive Manufacturing Process) hergestellt, das auch als generatives Fertigungsverfahren bezeichnet wird.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Maßnahmen gemäß Anspruch 3 bei einem Flachemitter gemäß Anspruch 2 zusätzlich zu realisieren. In diesem Fall wird durch ein additives Herstellverfahren die Schichtdicke des monolithischen Blocks erhöht, so dass ein monolithischer Grundkörper mit einer größeren Schichtdicke entsteht.
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Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist das subtraktive Herstellverfahren ein Erodierverfahren. Im Erodierverfahren ist die Emitterfläche im monolithischen Grundkörper fertigungstechnisch präzise und einfach herstellbar. Das bevorzugte Erodierverfahren ist das Drahterodierverfahren. Als weiteres subtraktives Herstellverfahren ist bei nicht zu dicken Grundkörpern auch ein Fräßverfahren oder ein Schleifverfahren einsetzbar.
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Für eine Ausführungsform gemäß Anspruch 5 wird als additives Herstellverfahren für den Flachemitter ein Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) verwendet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird als additives Herstellverfahren für den Flachemitter zumindest ein 3D-Siebdruckverfahren mit einem anschließenden Sintervorgang, vorzugsweise Spark-Plasma-Sintering, verwendet.
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Durch additive Herstellverfahren (Additive Manufacturing Process), z.B. Selektives Laserschmelzen oder 3D-Siebdruck, ist es möglich, bei einem Flachemitter einen schichtweisen Aufbau in einer gewünschten Form zu realisieren. Die benötigten Schichten werden beim Selektiven Laserschmelzen durch Aufschmelzen von Metallpulver erzeugt. Beim 3D-Siebdruck wird ein mit Binder versetztes Metallpulver im Siebdruck aufgebracht. Durch das schichtweise Herstellungsverfahren ist es möglich, gezielt Einfluss auf die Kornstruktur in den einzelnen Schichten des Flachemitters bzw. im gesamten Flachemitter zu nehmen, wodurch die Lebensdauer eines nach diesem Verfahren hergestellten Flachemitters erhöht wird.
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Weiterhin ist es möglich, mittels eines additiven Herstellverfahrens nahezu jede gewünschte Form des Flachemitters herzustellen, ohne dass aufwendige Nachbearbeitungsprozesse erforderlich sind.
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Damit können bei einem Flachemitter gemäß Anspruch 3, ebenso wie bei einem Flachemitter gemäß Anspruch 2, die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer und/oder Bauform problemlos realisiert werden.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Flachemitter die Emitterfläche nicht durch ein Auswalzen eines Flachmaterials hergestellt wird, sondern aus einem monolithischen Grundkörper gefertigt ist, entfallen bei der Emitterfläche die bisherigen konstruktiven Beschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Schichtdicken und der realisierbaren Formen. Damit sind auch bisher nicht realisierbare Emitterdesigns herstellbar, so dass für den jeweiligen Anwendungsfall ein optimal ausgelegter Flachemitter herstellbar ist. Insbesondere können lokal heiße bzw. für die Lebensdauer des Flachemitters besonders kritische Stellen durch eine lokale Erhöhung der Schichtdicke der Emitterfläche gezielt vermieden werden.
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Durch die beschriebenen Möglichkeiten der lokalen Erhöhung der Schichtdicke beim Flachemitter ist es z.B. möglich, einen Flachemitter gemäß Anspruch 7 herzustellen. Ein derartiger Flachemitter ist dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Grundkörper bei zumindest einer Emitterfläche wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Schichtdicken aufweist.
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Man erhält damit eine Modulation der Temperatur über die Schichtdicke der Emitterfläche: dickere Stellen werden im Vergleich zu dünneren Stellen aufgrund geringeren Widerstands weniger heiß. Damit wird bei einem Flachemitter gemäß Anspruch 7 über die Struktur der Emitterfläche jeweils die Charakteristik der Elektronenemission festgelegt.
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Eine generelle Erhöhung der Schichtdicke der Emitterfläche bzw. des Flachemitters, die zu einer thermischen Trägheit beim Sperren der Elektronenemission führt, ist für eine Erhöhung der Lebensdauer des Flachemitters somit nicht notwendig. Vielmehr ist eine gezielte lokale Erhöhung der Schichtdicke, die fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist, vollkommen ausreichend.
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Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 8 weist der monolithische Grundkörper zumindest ein Randprofil auf, das gegenüber der Emitterfläche eine größere Schichtdicke besitzt. Das stärkere Randprofil, das beispielsweise zu beiden Seiten der Emitterfläche angeordnet ist, unterstützt in vorteilhafter Weise die elektrostatische Fokussierung der aus der Emitterfläche emittierten thermischen Elektronen zu einem Elektronenstrahl. Durch die daraus resultierende Verbesserung der Fokusqualität des Elektronenstrahls wird die unerwünschte Extrafokalstrahlung wesentlich verringert.
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Darüber hinaus ermöglicht die individuelle Festlegung der Schichtdicke einen Flachemitter nach Anspruch 9, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der monolithische Grundkörper wenigstens einen Befestigungsbereich umfasst. Damit kann der Bereich für die Halterung des Flachemitters in einem Fokuskopf mechanisch entsprechend stabil ausgeführt werden.
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Die individuelle Festlegung der Schichtdicke des Flachemitters erlaubt weiterhin eine Ausführungsform nach Anspruch 10, bei der der monolithische Grundkörper wenigstens einen Kontaktierungsbereich für wenigstens einen elektrischen Anschluss umfasst.
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Bei den Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 7 bis 10 umfasst der monolithische Grundkörper Bereiche mit unterschiedlichen Schichtdicken und/oder aus unterschiedlichen Materialien. Dies kann beispielsweise durch die Kombination von zwei subtraktiven Herstellverfahren oder durch wenigstens ein additives Herstellverfahren oder durch eine Kombination eines subtraktiven Herstellverfahrens mit einem additiven Herstellverfahren erfolgen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 11 umfasst wenigstens eine Sperrelektrode, die im monolithischen Grundkörper angeordnet ist. Ein damit ausgestatteter Flachemitter ist leicht sperrbar. Die Heranführung wenigstens einer elektrisch leitfähigen Sperrelektrode an die Emitterfläche ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass am Ende der in der Emitterfläche verlaufenden Schlitze Durchgangsbohrungen in den monolithischen Grundkörper eingebracht werden. Durch diese Durchgangsbohrungen werden beispielsweise Drähte der Sperrelektrode durchgeführt. Die Drähte liegen auf einem Potenzial, das gegenüber dem Potenzial der Emitterfläche höher ist. Eine möglicherweise veränderte Temperaturverteilung im Flachemitter bzw. innerhalb der Emitterfläche kann erforderlichenfalls über die Schichtdicke des monolithischen Grundkörpers bzw. über die Schichtdicke der Emitterfläche kompensiert bzw. korrigiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 12 umfasst der monolithische Grundkörper wenigstens eine konkav gewölbte Emitterfläche, beispielsweise im Wesentlichen schüsselförmig. Die konkav gewölbte Emitterfläche weist hierbei gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 13 eine Pierce-Geometrie auf. Durch die konkav gewölbte Emitterfläche wird auf zuverlässige Weise eine Vorfokussierung der thermisch emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl ermöglicht. Damit wird im elektrischen Feld zwischen Flachemitter und Anode eine verbesserte Fokussierung der aus der Kathode austretenden Elektronen erreicht.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt auch eine Herstellung der in der
DE 10 2009 005 454 B4 beschriebenen thermionischen Emissionsvorrichtung. Sowohl der Hauptemitter als auch der Heizemitter sind dann aus jeweils einem monolithischen Grundkörper hergestellt.
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Bei einem derartigen Flachemitter kompensieren sich die Magnetfelder der übereinander angeordneten Emitterflächen derart, dass der Heizstrom keinen negativen Einfluss auf die Fokussierung ausübt. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sehr kleine Brennflecke, also Brennflecke kleiner als ca. 150 μm, mithilfe von Flachemittern erreicht werden sollen.
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Der erfindungsgemäße Flachemitter sowie die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen hierzu sind sowohl durch ein subtraktives Herstellverfahren als auch durch ein additives Herstellverfahren realisierbar.
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Nachfolgend werden sieben schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele eines Flachemitters gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen
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1 eine erste Ausführungsform eines Flachemitters in einer Schnittdarstellung,
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2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Flachemitters,
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3 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Flachemitters,
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4 eine vierte Ausführungsform eines Flachemitters in perspektivischer Ansicht,
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5 eine fünfte Ausführungsform eines Flachemitters in perspektivischer Ansicht,
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6 eine sechste Ausführungsform eines Flachemitters in perspektivischer Ansicht,
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7 eine siebte Ausführungsform eines Flachemitters in perspektivischer Ansicht und
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8 eine Draufsicht auf den Flachemitter gemäß 7.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Flachemitter bezeichnet, der in den dargestellten Ausgestaltungen gemäß den 1 bis 8 jeweils einen Grundkörper 2 mit wenigstens einer Emitterfläche 3 umfasst. Erfindungsgemäß ist der Grundkörper 2 ein monolithischer Grundkörper.
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Die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Flachemitters 1 weisen jeweils genau eine rechteckige Emitterfläche 3 auf, wohingegen die in 3 und 4 gezeigten Flachemitter 1 zwei rechteckförmige Emitterflächen 3a und 3b aufweisen. Im Rahmen der Erfindung kann der erfindungsgemäße Flachemitter 1 jedoch auch mehr als zwei Emitterflächen umfassen.
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Bei dem in 1 dargestellten Flachemitter 1 ist der monolithische Grundkörper 2 in einem subtraktiven Herstellverfahren aus einem monolithischen Block hergestellt. Bei dem subtraktiven Herstellverfahren handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Erodierverfahren, beispielsweise um eine Drahterodierung.
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Der monolithische Grundkörper 2 des Flachemitters 1 weist an beiden Längsseiten jeweils ein Randprofil 5 und 6 auf, das gegenüber der Emitterfläche 3 eine größere Schichtdicke besitzt. An den Randprofilen 5 und 6 kann der Flachemitter 1 z.B. mehrere Millimeter dick sein, wohingegen die Schichtdicke der Emitterfläche 3, in der die Elektronen durch eine thermische Emission erzeugt werden, typischerweise 50 µm bis 200 µm beträgt.
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Die rechteckförmige Emitterfläche 3 weist Einschnitte auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind.
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Die stärkeren Randprofile 5 und 6, die zu beiden Seiten der Emitterfläche angeordnet sind, unterstützen in vorteilhafter Weise die elektrostatische Fokussierung der aus der Emitterfläche 3 emittierten thermischen Elektronen zu einem Elektronenstrahl. Durch die daraus resultierende Verbesserung der Fokusqualität des Elektronenstrahls wird die unerwünschte Extrafokalstrahlung wesentlich verringert.
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Der Flachemitter 1 ist in einem Fokuskopf 4 montiert. Die Montage des Flachemitters 1 erfolgt nicht durch Schweißen oder Löten an Stützdrähten, sondern durch eine wesentlich stabilere Befestigung. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies eine Befestigung mittels Schrauben 7 und 8. Die Randprofile 5 und 6 dienen also nicht nur der verbesserten Fokussierung, sondern dienen auch als Befestigungsbereich, der eine stabilere Befestigung des Flachemitters 1 im Fokuskopf 4 gewährleistet.
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Weiterhin erhält man im Flachemitter 1 durch die Randprofile 5 und 6 Bereiche mit einer gegenüber der Emitterfläche 3 geringeren Temperatur, da dickere Bereiche im Vergleich zu dünneren Bereichen aufgrund des geringeren Widerstands weniger heiß werden. Über die Struktur des Flachemitters 1 bzw. der Emitterfläche 3 kann damit die gewünschte Charakteristik der Elektronenemission definiert und somit entsprechend beeinflusst werden. Durch diese Maßnahme wird eine Verbesserung der Fokussierung erreicht.
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Die Schrauben 7 und 8 können elektrisch leitend oder elektrisch isolierend (z.B. Keramikschrauben) ausgeführt sein.
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Sind die Schrauben 7 und 8 elektrisch isoliert ausgeführt, dann ist eine eigene Stromzuführung (in 1 nicht dargestellt) vorzusehen.
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Im Rahmen der Erfindung, die eine große Flexibilität bei der Herstellung ermöglicht, kann auch der gesamte Fokuskopf 4, einschließlich des Flachemitters 1, aus einem monolithischen Block gefertigt sein.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 1 ist parallel zu den beiden Randprofilen 5 und 6 des Flachemitters 1 im Fokuskopf 4 jeweils eine Wand 9 bzw. 10 angeordnet. Die Wände 9 und 10 sind höher als die Randprofile 5 und 6 und dienen ebenfalls zur Fokussierung der von der Emitterfläche 3 emittierten Elektronen.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachemitters 1 ist – analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 – wiederum mittels Drahterodierung (subtraktives Herstellverfahren) hergestellt. Der Flachemitter 1 weist wiederum einen Grundkörper 2 mit einer rechteckförmigen Emitterfläche 3 auf, die wiederum Einschnitte aufweist, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Der Flachemitter 1 weist an seinen beiden Längsseiten jeweils ein Randprofil 5 bzw. 6 auf.
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Die Randprofile 5 und 6 schließen im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Höhe mit der Emitterfläche 3 ab und sind jeweils über einen Steg 11 bzw. 12 mit der Emitterfläche 3 mechanisch fest und elektrisch leitend verbunden. Die Stege 11 und 12 sind diagonal gegenüberliegend angeordnet, so dass beide Stege 11 und 12 jeweils ein freies Ende aufweisen, an denen eine Befestigung des Flachemitters 1 mittels jeweils einer Schraube 7 bzw. 8. erfolgt. Alternativ zu einer Schraubverbindung ist auch eine Schweißung oder Lötung möglich.
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Im Rahmen der Erfindung müssen die Randprofile 5 und 6 nicht zwingend auf einer Höhe mit der Emitterfläche 3 liegen, vielmehr können die Randprofile 5 und 6 auch eine größere Schichtdicke aufweisen und damit über die Emitterfläche 3 hinausragen, wodurch die elektrostatische Fokussierung der aus der Emitterfläche 3 emittierten thermischen Elektronen verbessert wird.
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Die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachemitters 1 ist – analog zu den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 – ebenfalls durch Drahterodieren aus einem monolithischen Block hergestellt. Der Flachemitter 1 umfasst wiederum einen Grundkörper 2 mit zwei parallelen Emitterflächen 3a und 3b. Die Emitterflächen 3a und 3b sind an den freien Enden über einen Steg 15 mechanisch fest und elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Flachemitter 1 ist also als Parallelemitter (Doppelemitter) ausgebildet und weist an der äußeren Längsseite der Emitterfläche 3a und an der äußeren Längsseite der Emitterfläche 3b jeweils ein Randprofil 5 bzw. 6 auf.
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Die Randprofile 5 und 6 schließen im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils auf einer Höhe mit der Emitterfläche 3a bzw. 3b ab und sind jeweils über einen Steg 11 bzw. 12 mit der betreffenden Emitterfläche 3a bzw. 3b mechanisch fest und elektrisch leitend verbunden. Die Stege 11 und 12 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass jeder Steg 11 bzw. 12 jeweils ein freies Ende aufweist. An den freien Enden, die in die gleiche Richtung zeigen, erfolgt die Befestigung des Flachemitters 1 mittels jeweils einer Schraube 7 bzw. 8. Auch in diesem Fall ist alternativ eine Schweißung oder Lötung möglich.
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Im Rahmen der Erfindung müssen die Randprofile 5 und 6 nicht zwingend auf einer Höhe mit den Emitterflächen 3a und 3b liegen, vielmehr können die Randprofile 5 und 6 auch eine größere Schichtdicke aufweisen und damit über die Emitterfläche 3 hinausragen, wodurch die elektrostatische Fokussierung der aus den Emitterflächen 3a und 3b emittierten thermischen Elektronen verbessert wird.
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Die in 4 gezeigte Ausgestaltung des Flachemitters 1 umfasst ebenfalls einen monolithischen Grundkörper 2, der mittels Drahterodieren aus einem monolithischen Block hergestellt ist.
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Der Grundkörper 2 umfasst wiederum zwei parallele Emitterflächen 3a und 3b (Parallelemitter, Doppelemitter). Beide Emitterflächen 3a und 3b sind durch einen Steg 15 mechanisch fest und elektrisch leitend miteinander verbunden. Unterhalb der Emitterfläche 3a ist eine Stromzuführung 16 angeordnet. Die Emitterfläche 3a ist durch eine erste Säule 17 gehalten und dadurch gegenüber der Stromzuführung 16 beabstandet. Die Emitterfläche 3b ist durch eine zweite Säule 18 gehalten. Die Befestigung des Flachemitters 1 erfolgt durch 2 Schrauben 7 und 8, wobei die Schraube 7 am freien Ende der Stromzuführung 16 angeordnet ist, wohingegen die Schraube 8 in der zweiten Säule 18 geführt ist.
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Durch den gegenläufig in der Stromzuführung 16 fließenden Strom werden die störenden Magnetfelder der Emitterfläche 3a kompensiert.
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Die in 5 dargestellte Ausgestaltung eines Flachemitters 1 weist eine rechteckförmige Emitterfläche 3 mit Einschnitten auf, die wechselweise von zwei gegenüber liegenden Seiten her und quer zur Längsrichtung angeordnet sind. Der Flachemitter 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren Schichten hergestellt, die durch ein additives Herstellverfahren erzeugt wurden, z.B. durch Selektives Laserschmelzen oder durch 3D-Siebdruck. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Schichten 21, 22 und 23 dargestellt. Es versteht sich in diesem Zusammenhang jedoch von selbst, dass mit den vorgenannten additiven Herstellverfahren auch ein Aufbau mit mehr als drei Schichten herstellbar ist.
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Durch den schichtförmigen Aufbau, der sich bei dem vorgenannten Herstellverfahren zwangsläufig ergibt, wird das Korn-Wachstum, das beim Betrieb des Flachemitters 1 auftreten kann, im Wesentlichen auf die jeweilige Schicht, z.B. die Schicht 22 beschränkt. Ein Übergreifen auf benachbarte Schichten, beispielsweise die Schichten 21 und 23, wird gehemmt. Die Lebensdauer des Flachemitters 1 wird dadurch entsprechend erhöht.
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In 6 ist eine weitere Ausgestaltung eines Flachemitters 1 gezeigt, der ebenfalls einen Grundkörper 2 umfasst, der durch ein additives Herstellverfahren gefertigt wurde. Der Flachemitter 1 ist rohrförmig ausgebildet und weist Anschlussbeinchen 19 und 20 auf, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung der Längsachse erstrecken. Die Emitterfläche 3 weist damit die Form einer Mantelfläche eines Kreiszylinders auf. Aufgrund seiner Form kann der in 6 gezeigte Flachemitter 1 auf einfache Weise gegen einen Wendelemitter ausgetauscht werden, ohne dass die Geometrie des Fokuskopfes, in der der Flachemitter 1 eingesetzt wird, geändert werden muss.
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Gemäß einer in 7 gezeigten Ausführungsform umfasst der monolithische Grundkörper 2 des Flachemitters 1 wenigstens eine konkav gewölbte Emitterfläche 3, die im Wesentlichen schüsselförmig ausgebildet ist. Durch die konkav gewölbte Emitterfläche 3 wird auf zuverlässige Weise eine Vorfokussierung der thermisch emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl ermöglicht. Damit wird im elektrischen Feld zwischen dem Flachemitter 1 und einer Anode eine verbesserte Fokussierung der aus der Emitterfläche 3 austretenden Elektronen erreicht.
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Die in 7 dargestellte Geometrie des Flachemitters 1 lässt sich sowohl durch ein subtraktives Herstellverfahren (z.B. Erodieren) als auch durch ein additives Herstellverfahren (z.B. Selektives Laserschmelzen, 3D-Siebdruck) fertigen.
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Eine mögliche Ausführung für eine Strukturierung der Emitterfläche 3 des in 7 dargestellten Flachemitters 1 ist in 8 gezeigt. Um den Flachemitter 1 bzw. die Emitterfläche 3 durch Stromfluss zu heizen, ist die kreisförmige Emitterfläche 3 in spiralförmig verlaufende Leiterbahnen unterteilt. Der Heizstrom wird dadurch wendelförmig geführt.
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Die spiralförmige Strukturierung der Emitterfläche 3 kann weitgehend frei vorgegeben werden. So ist beispielsweise auch eine bifilar strukturierte Emitterfläche 3 möglich. Der Heizstrom wird in diesem Fall an jeder Stelle durch einen Heizstrom in entgegengesetzter Richtung kompensiert, so dass kein die Fokussierung des Elektronenstrahls störendes Magnetfeld entstehen kann.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben ist, ist die Erfindung nicht durch die in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus problemlos auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2727907 C2 [0002, 0003]
- DE 19914739 C1 [0004]
- EP 0235619 B1 [0005]
- DE 10211947 A1 [0006]
- US 8254526 B2 [0007]
- DE 102008046721 B4 [0008]
- DE 102009005454 B4 [0009, 0041]
- DE 102010060484 A1 [0010]
- US 8000449 B2 [0010]
