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Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlenquelle und eine Röntgenröhre.
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Eine herkömmliche Elektronenemittervorrichtung kann verschiedene Elektronenemitterarten enthalten, z.B. einen thermionischen Emitter oder einen Feldeffekt-Emitter mit Feldeffekt-Emitternadeln. Manche Elektronenemittervorrichtungen können direkt oder indirekt geheizt sein. Beispiele eines thermionischen Emitters ist ein Wendelemitter oder ein Flachemitter. Ein Flachemitter, welcher im Betrieb im zentralen Bereich des Emitterblechs eine geringere Elektronendichte aufweist als im an den zentralen Bereich angrenzenden Bereich, ist in der
DE 10 2006 018 633 B4 offenbart.
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Beim Betrieb einer herkömmlichen Röntgenstrahlenquelle mit einer Elektronenemittervorrichtung kann es vorkommen, dass von einer Anode der herkömmlichen Röntgenstrahlenquelle kommenden Ionen in Richtung der Elektronenemittervorrichtung zurück geschleudert werden. Die Ionen werden regelmäßig bei einer Wechselwirkung der von der Elektronenemittervorrichtung generierten Elektronen mit der Anode erzeugt.
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Insbesondere sind herkömmliche thermionische Emitter aufgrund der vergleichsweise makroskopischen Struktur widerstandsfähiger als herkömmliche Feldeffekt-Emitter mit Feldeffekt-Emitternadeln. Die Feldeffekt-Emitternadeln dagegen können durch die auftreffenden Ionen beschädigt, letztendlich zerstört werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Röntgenstrahlenquelle und eine Röntgenröhre mit erhöhter Robustheit und Lebensdauer anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Röntgenstrahlenquelle weist
- - eine Elektronenemittervorrichtung mit einem Feldeffekt-Emitter für ein Emittieren von Elektronen,
- - eine Anode mit einem Brennfleck für ein Generieren von Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von eintreffenden Elektronen und
- - ein Abschirmelement auf, wobei der Feldeffekt-Emitter eine Emitterfläche sowie eine Vielzahl an Feldeffekt-Emitternadeln als Teil der Emitterfläche aufweist und
wobei das Abschirmelement zwischen der Emitterfläche und dem Brennfleck derart angeordnet ist, dass eine Sichtverbindung zwischen dem Brennfleck und der Emitterfläche zumindest teilweise unterbrochen ist.
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Ein Vorteil der Röntgenstrahlenquelle ist, dass eine Anzahl an geladenen Teilchen, insbesondere an Ionen und/oder an geladenen Cluster aus mehreren Atomen, reduziert wird, welche von der Anode kommend mit der Emitterfläche wechselwirken. Somit werden vorzugsweise im Betrieb weniger Feldeffekt-Emitternadeln beschädigt und/oder defekt. Durch die Reduktion der mit der Emitterfläche wechselwirkenden geladenen Teilchen kann vorzugsweise die Betriebsdauer der Röntgenstrahlenquelle erhöht werden, weil ein Ausfall einer für den Betrieb kritischen Anzahl an Feldeffekt-Emitternadeln wenigstens hinausgezögert, idealerweise gänzlich verhindert werden kann.
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Die Feldeffekt-Emitternadeln können unterschiedlicher Art aufgebaut sein, beispielsweise als Kohlenstoff-Feldeffekt-Emitternadeln, Metallische-Feldeffekt-Emitternadeln oder als Silizium-Feldeffekt-Emitternadeln. Typischerweise weist die Elektronenemittervorrichtung nur eine Art an Feldeffekt-Emitternadeln auf. Die Metallische-Feldeffekt-Emitternadeln sind u.a. als Spindt-Feldeffekt-Emitter bekannt. Feldeffekt-Emitternadeln aus weiteren Materialien wie z.B. Molybdän sind ebenfalls möglich. Die Silizium-Feldeffekt-Emitternadeln sind beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat angeordnet, welches vorteilhafterweise flächig, in Bezug auf bekannte Fertigungstechnologien in der Halbleiterbranche, siehe z.B. einen Silizium-Wafer für eine Computerchipfertigung, mit Durchmessern über viele Zentimeter hergestellt werden kann. Die emittierten Elektronen bilden insbesondere den Elektronenstrom. Die Elektronenstromdichte der Feldeffekt-Emitternadeln liegt beispielsweise in einem Bereich größer 0,1 A / cm^2 und/oder kleiner 200 A / cm^2, vorzugsweise zwischen 1 A / cm^2 und 50 A / cm^2, besonders vorteilhafterweise zwischen 5 A / cm^2 und 15 A / cm^2.
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Die Sichtverbindung ist insbesondere so definiert, dass die Sichtverbindung im Wesentlichen jede mögliche direkte gerade Sichtverbindungslinie zwischen der Emitterfläche und dem Brennfleck, welcher nicht punktförmig ist und eine gewisse Ausdehnung aufweist, umfasst. In anderen Worten ist nicht nur eine Sichtverbindungslinie, beispielsweise zwischen der Mitte der Emitterfläche und der Mitte des Brennflecks, gemeint, sondern im Gegenteil im Wesentlichen je eine Sichtverbindungslinie pro Feldeffekt-Emitternadel und Flächeneinheit des Brennflecks. Die Größe der Flächeneinheit kann beliebig gewählt sein.
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Die Anode weist üblicherweise ein elektrisch leitfähiges Material wie z.B. Molybdän, Grafit und/oder Wolfram auf. Die Anode weist somit typischerweise ein einziges elektrisches Potential auf, welches gleichmäßig über die Anode verteilt ist. Grundsätzlich ist denkbar, dass die Anode aus dem elektrisch leitfähigen Material besteht.
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Das Abschirmelement kann insbesondere ein elektrisches Potential aufweisen, welches insbesondere gleich, kleiner oder größer als das elektrische Potential der Anode ist und typischerweise größer ist als das Potential der Elektronenemittervorrichtung. Das Abschirmelement kann insbesondere ein elektrisch leitfähiges Material wie z.B. Edelstahl, Molybdän, Tantal, Vacon oder ein anderes vergleichbares vakuumtaugliches Material aufweisen. Das Abschirmelement kann im Wesentlichen ein Blech und/oder ein Rohr sein.
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Grundsätzlich ist denkbar, dass die Röntgenstrahlenquelle einen Kathodenkopf bzw. einen Fokuskopf aufweist. Die Elektronen werden typischerweise mittels einer Beschleunigungsspannungseinheit von der Elektronenemittervorrichtung zur Anode hin beschleunigt. Die Beschleunigungsspannung liegt insbesondere zwischen 10 und 150 kV. Auf der Anode wechselwirken die eintreffenden Elektronen, wobei größtenteils Wärme und zu einem geringen Teil Röntgenstrahlung generiert wird. Die Röntgenstrahlenquelle kann für die Wärmeabfuhr eine Kühleinheit aufweisen. Die Röntgenstrahlung ist insbesondere für eine Computertomographie, eine Angiographie, eine Radiographie und/oder eine Mammographie geeignet.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Anode drehbar gelagert ist und der Brennfleck ein Teil einer Brennbahn der Anode ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil insgesamt ein Elektronenstrom erhöht sein kann, wenn die Rotation und die damit verbundene Variation des Brennflecks entlang der Brennbahn ein zwischenzeitliches Abkühlen der Anode ermöglichen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Abschirmelement ein Hochspannungsüberschlagschutz ist. Der Hochspannungsüberschlagschutz liegt in dieser Ausführungsform auf einem Potential, welches negativer ist als das Potential der Anode. Das Potential des Hochspannungsüberschlagschutz kann also negativ, positiv sowie kleiner als das Anodenpotential oder das Massepotential sein. Das Abschirmelement kann beispielsweise mit einem Massepotential der Röntgenstrahlenquelle elektrisch leitfähig verbunden sein. Beispielsweise kann das Metall eines Röntgenröhrengehäuses das Massepotential aufweisen und/oder bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Röntgenstrahlenquelle eine weitere Potentialquelle mit einem geeigneten Potential aufweisen, welches dem Hochspannungsüberschlagschutz eingeprägt ist. Das Potential der Potentialquelle kann insbesondere ungleich oder gleich dem Massepotential, negativ oder positiv sowie kleiner als das Anodenpotential sein. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil ein Hochspannungsüberschlag auf die Emitterfläche durch das Abschirmelement verhindert werden kann. Dadurch kann eine Beschädigung und/oder ein Zerstören der Feldeffekt-Emitternadeln in der Emitterfläche und/oder einer elektronischen Schaltung der Elektronenemittervorrichtung vorteilhafterweise verhindert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Abschirmelement mittels der Potentialquelle auf einem einstellbaren Potential liegt zum Formen der emittierten Elektronen. Das einstellbare Potential ist insbesondere negativ, positiv oder das Massepotential. Das Abschirmelement ist insbesondere elektrisch leitfähig mit der Potentialquelle verbunden. Das Potential ist insbesondere durch die Potentialquelle einstellbar, welches beispielsweise im Betrieb konstant sein oder variiert werden kann. Beispielsweise kann eine Steuereinheit der Potentialquelle das einzustellende Potential vorgeben, so dass der Elektronenstrom eine bestimmte Form, beispielsweise gemäß einer bestimmten Brennfleckgröße und/oder Brennfleckposition beim Eintreffen auf der Anode hat. Das Formen des Elektronenstroms kann ein Lenken, ein Fokussieren oder Defokussieren umfassen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Abschirmelement ringförmig ausgebildet ist. Der Begriff „Ring“ steht in diesem Zusammenhang insbesondere für zu einem konventionellen Ring vergleichbare geometrische Figuren, wie zum Beispiele Vielecke mit N > 2 Ecken, welche eine zentrale Öffnung aufweisen. In anderen Worten ist das Abschirmelement nicht zwingend rund oder oval, sondern beispielsweise dreieckig oder viereckig. Grundsätzlich ist denkbar, dass der Ring näherungsweise durch ein Vieleck mit vielen Ecken und/oder durch mehrere Teilringe oder mehrere Teilstücke approximiert wird. Weiterhin ist es möglich, dass das Abschirmelement symmetrisch oder asymmetrisch ist. Die zentrale Öffnung ist insbesondere für ein Durchtreten der emittierten Elektronen und gleichermaßen der von der Anode kommenden geladenen Teilchen geeignet.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Sichtverbindung eine zentrale Öffnung des ringförmigen Abschirmelements zentral schneidet. Diese Ausführungsform bietet vorteilhafterweise einen optimalen Kompromiss zwischen Schutz der Emitterfläche, Schutz übriger Komponenten der Elektronenemittervorrichtung außerhalb der Emitterfläche und eine regelmäßig ausreichende Intensität des Elektronenstroms. In anderen Worten werden vorzugsweise wie bei einer Lochkamera nur zentrale geladene Teilchen durch das Abschirmelement zentral hindurchgelassen.
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Eine zur vorherigen Ausführungsform alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Sichtverbindung eine zentrale Öffnung des ringförmigen Abschirmelements dezentral schneidet. Diese Ausführungsform bietet einen vergleichsweise höheren Schutz der Emitterfläche auf Kosten einer Intensität des Elektronenstroms.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Abschirmelement die Sichtverbindung vollständig unterbricht. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil dabei die Anzahl der auf direktem Weg von der Anode kommenden geladenen Teilchen vorzugsweise maximal reduziert ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist also, dass ein Schutz der Emitterfläche optimiert ist, während gleichzeitig die Intensität des Elektronenstroms für eine Bildgebung weiterhin gewährleistet ist, insbesondere wenn diese Ausführungsform zusätzlich mit einer der folgenden beiden Ausführungsformen kombiniert ist.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Röntgenstrahlenquelle ferner eine Elektronenablenkvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise die emittierten Elektronen um das Abschirmelement herum in Richtung des Brennflecks zu lenken. Die Elektronenablenkvorrichtung kann ein elektrostatisches und/oder magnetisches Ablenkelement aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, aufgrund der elektrostatischen oder elektromagnetischen Wechselwirkung die emittierten Elektronen um das Abschirmelement herum insbesondere entlang einer gekrümmten Trajektorie zu lenken. Das Ablenkelement ermöglicht insbesondere das Lenken der emittierten Elektronen entlang der gekrümmten Trajektorie von einer dem Feldeffekt-Emitter zugewandten Seite des Abschirmelements auf eine dem Feldeffekt-Emitter abgewandte Seite des Abschirmelements.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine auf der Emitterfläche senkrecht stehende Emitterflächennormale in einem Winkel größer 0° in Bezug auf die Sichtverbindung steht. In anderen Worten ist die Emitterfläche in Bezug auf die Sichtverbindung gekippt. Der Winkel ist vorzugsweise kleiner 180°. Typischerweise liegt der Winkel zwischen 10° und 45°. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil eine derartige Ausrichtung der Emitterfläche den Anteil der emittierten Elektronen erhöhen kann, welcher nicht mit dem Abschirmelement wechselwirkt, so dass eine Intensität des Elektronenstroms vorzugweise erhöht sein kann.
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Die erfindungsgemäße Röntgenröhre weist ein evakuiertes Röntgenröhrengehäuse und eine in dem evakuierten Röntgenröhrengehäuse angeordnete Röntgenstrahlenquelle auf. Das Röntgenröhrengehäuse umfasst typischerweise ein Metall- und/oder Glasgehäuse, welches vakuumdicht verschlossen ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Grundsätzlich werden in der folgenden Figurenbeschreibung im Wesentlichen gleichbleibende Strukturen und Einheiten mit demselben Bezugszeichen wie beim erstmaligen Auftreten der jeweiligen Struktur oder Einheit benannt.
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Es zeigen:
- 1 eine Illustration einer ununterbrochenen Sichtverbindung in einer herkömmliche Röntgenstrahlenquelle gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine Röntgenstrahlenquelle in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Röntgenstrahlenquelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Röntgenstrahlenquelle in einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine Röntgenstrahlenquelle in einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine Röntgenstrahlenquelle in einem fünften Ausführungsbeispiel und
- 7 eine Röntgenröhre.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer herkömmlichen Röntgenstrahlenquelle 10. Die herkömmliche Röntgenstrahlenquelle 10 weist einen Feldeffekt-Emitter mit einer Emitterfläche 11 auf, welche gegenüber einer Anode 12 angeordnet ist. 1 zeigt weiterhin die Sichtverbindung zwischen der Emitterfläche 11 und einem Brennfleck 13 auf der Anode 12, wobei die Sichtverbindung aus beliebig vielen Sichtverbindungslinien besteht. Der Bereich, in welchen die Sichtverbindungslinien liegen, ist durch die gestrichelten Linien hervorgehoben und begrenzt die Sichtverbindung. Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind allerdings alle Sichtverbindungslinien und somit die Sichtverbindung nicht unterbrochen.
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2 bis 6 zeigen Varianten der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle 20. Die Röntgenstrahlenquelle 20 weist eine Elektronenemittervorrichtung mit einem Feldeffekt-Emitter für ein Emittieren von Elektronen auf. Der Feldeffekt-Emitter weist eine Emitterfläche 21 sowie eine Vielzahl an Feldeffekt-Emitternadeln als Teil der Emitterfläche auf. Die Röntgenstrahlenquelle 20 weist eine Anode 22 mit einem Brennfleck 23 für ein Generieren von Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von eintreffenden Elektronen und ein Abschirmelement 24 auf.
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Vorzugsweise ist das Abschirmelement 24 ein Hochspannungsüberschlagschutz oder derart ausgebildet. Weiterhin kann das Abschirmelement 24 mittels einer Potentialquelle auf einem einstellbaren Potential liegen zum Formen der emittierten Elektronen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anode 22 drehbar gelagert und der Brennfleck 23 ein Teil einer Brennbahn der Anode 22.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Röntgenstrahlenquelle 20 in einer Detailansicht. Das Abschirmelement 24 ist zwischen der Emitterfläche 21 und dem Brennfleck 23 derart angeordnet, dass eine Sichtverbindung zwischen dem Brennfleck 23 und der Emitterfläche 21 zumindest teilweise unterbrochen ist. In anderen Worten ist zumindest eine Sichtverbindungslinien durch das Abschirmelement 24 unterbrochen. Die Sichtverbindung ist durch die gestrichelten Linien hervorgehoben.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Röntgenstrahlenquelle 20. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Abschirmelement 24 ringförmig ausgebildet und derart im Querschnitt dargestellt. Die Sichtverbindung schneidet eine zentrale Öffnung 24.0 des ringförmigen Abschirmelements 24 zentral. Zentral bedeutet, dass eine mittige Sichtverbindungslinie die zentrale Öffnung 24.0 mittig, also im Mittelpunkt schneidet.
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4 zeigt ein drittes zum vorherigen Ausführungsbeispiel alternatives Ausführungsbeispiel der Röntgenstrahlenquelle 20. In diesem Ausführungsbeispiel schneidet die Sichtverbindung die zentrale Öffnung 24.0 des ringförmigen Abschirmelements 24 dezentral.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Röntgenstrahlenquelle 20. Das Abschirmelement 24 unterbricht die Sichtverbindung vollständig. Die Röntgenstrahlenquelle 20 weist ferner eine Elektronenablenkvorrichtung 25 auf, welche dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise die emittierten Elektronen um das Abschirmelement 24 herum in Richtung des Brennflecks 23 zu lenken. Die entsprechend gekrümmte Trajektorie, entlang welcher die Elektronen im Wesentlichen sich bewegen, stellt der Pfeil beispielhaft dar.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Röntgenstrahlenquelle 20. Das Abschirmelement 24 ist ringförmig ausgebildet und unterbricht die Sichtverbindung vollständig. Die Röntgenstrahlenquelle 20 weist ferner eine Elektronenablenkvorrichtung 25 auf, welche dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise die emittierten Elektronen um das Abschirmelement 24 herum in Richtung des Brennflecks 23 zu lenken. Eine auf der Emitterfläche 21 senkrecht stehende Emitterflächennormale steht in einem Winkel größer 0° in Bezug auf die Sichtverbindung.
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7 zeigt eine Röntgenröhre 30. Die Röntgenröhre 30 weist ein evakuiertes Röntgenröhrengehäuse 31 und eine in dem evakuierten Röntgenröhrengehäuse 31 angeordnete Röntgenstrahlenquelle 20 auf.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung dennoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018633 B4 [0002]
