DE4026301A1

DE4026301A1 - Elektronenemitter einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE4026301A1
Application number: DE4026301A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr Ing Fiebiger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1992-02-27
Also published as: JPH0498253U; US5170422A

Description

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist eine bekannte Röntgen röhre eine Kathode und eine Anode auf, die einander gegenüber liegend in einem Glaskörper eingeschmolzen sind. Die Kathode besitzt einen Wolframdraht, der als Wendel oder in Mäanderform ausgebildet ist. Durch Anlegen einer Spannung kann dieser Wolframdraht auf Emissionstemperatur geheizt werden, so daß ihn eine Elektronenwolke umgibt. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ist eine Spannung an die Kathode und die Anode anlegbar, wo durch die Elektronen auf die Anode beschleunigt werden, wo sie ihre Energie in Form von Wärme und Röntgenstrahlung abgeben. Die Fläche der Anode, auf die die Elektronen auftreffen, wird nachfolgend als Brennfleck bezeichnet. Eine Erhöhung dieser Spannung führt dazu, daß schließlich alle emittierten Elektro nen auf die Anode beschleunigt werden, die Röntgenröhre wird somit im Sättigungsbereich betrieben. In diesem Betriebszustand werden die Elektronen direkt vom Wolframdraht abgezogen, der somit als Elektronenbelegung auf den Brennfleck projiziert wird. Da der Wolframdraht als Wendel oder in Mäanderform aus gebildet ist, führt dies zu einer unterschiedlichen Elektronen belegung im Brennfleck, wodurch die im Brennfleck erzeugte Röntgenstrahlung ebenfalls ungleichmäßig ist. Beim Durchstrah len eines Aufnahmeobjektes ist diese ungleichmäßige Verteilung der Röntgenstrahlung dem Strahlungsschattenbild des Aufnahmeob jektes überlagert, was nicht gewünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektronenemitter einer Röntgenröhre so auszubilden, daß er bei allen vorkommen den Betriebsbedingungen eine möglichst hohe Elektronenemission und eine gleichmäßige Verteilung der emittierten Elektronen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektronenemitter einer Röntgenröhre gelöst, der einen geometrischen Körper bil det, welcher vollständig mit Elektronen emittierendem Material ausgefüllt ist.

Vorteil der Erfindung ist, daß der Elektronenemitter somit eine gleichmäßige Oberfläche aufweist, so daß bei Emissionstempera tur auch eine gleichmäßige Elektronenemission auftritt. Wird eine erfindungsgemäß ausgestaltete Röntgenröhre im Sättigungs bereich betrieben, so werden auch hierbei alle Elektronen von dem Elektronenemitter abgezogen, wobei dann jedoch der Elektro nenemitter im Unterschied zum Stand der Technik als gleich mäßige Elektronenbelegung auf die Anode projiziert wird. Diese gleichmäßige Elektronenbelegung hat auch eine gleichmäßige Röntgenstrahlenemission zur Folge.

Sollen besonders hohe Röntgenröhrenströme erreicht werden, so enthält das Material zum Emittieren von Elektronen vorzugsweise La. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Material zum Emittieren von Elektronen LaB₆, wobei die Leitfä higkeit des emittierenden Materials durch die Zugabe von bei spielsweise einem Keramikpulver, oder durch Herstellung eines porösen Körpers eingestellt werden kann. Das emittierende Material besitzt somit eine gute Elektronenemission und eine hohe Stabilität, zudem kann die Leitfähigkeit auf einen ge wünschten Wert eingestellt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 eine Röntgenröhre in prinzipieller Darstellung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Elektronenemitters nach der Erfindung in Draufsicht,

Fig. 3 eine Halterung eines Elektronenemitters nach der Er findung in Seitenansicht und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektronen emitters nach der Erfindung in Seitenansicht.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Röntgenröhre 1 mit einem Glaskörper 2, in dem eine Anode 3 und eine Kathode 4 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anode 3 als Steh anode ausgebildet, was jedoch nicht wesentlich ist. Die Anode 3 könnte auch als Drehanode ausgeführt sein. Die Kathode 4 be sitzt ein Emitterelement 5, das von einem Halter 6 gehalten ist. Soll das Emitterelement 5 durch direkten Stromdurchgang auf Emissionstemperatur geheizt werden, so ist dem Emitter element 5 eine Spannung über Anschlüsse 7, 8 zuführbar. Diese Anschlüsse 7, 8 sind hierzu durch ein Wandteil des Glaskörpers 2 geführt. Das Emitterelement 5 kann aber auch durch Wärme zufuhr, d. h. also indirekt, beheizt werden. Zur Steuerung der Elektronenemission kann ein Gitter 9 zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 angeordnet sein, dessen Anschluß 10 ebenfalls durch den Wandteil des Glaskörpers 2 nach außen geführt ist. Ist das Emitterelement 5 auf Emissionstemperatur geheizt, so wird es von einer Elektronenwolke umgeben. Durch Anlegen einer gegenüber der Kathode 4 positiven Spannung an die Anode 3 werden die emittierten Elektronen in Richtung auf die Anode 3 beschleunigt, wo sie ihre Energie im Brennfleck der Anode 3 in Form von Wärme und Röntgenstrahlung abgeben. Durch Anlegen einer gegenüber der Kathode 4 negativen Spannung an das Gitter 9 kann der Elektronenstrom gesteuert bzw. auch unterbunden werden. Das Gitter 9 kann auch zur Fokussierung der Elektronen auf den Brennfleck der Anode 3 dienen.

Zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Elektronenemitters ist in der Fig. 2 ein erstes Ausführungs beispiel in Draufsicht gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind Elemente, die bereits in der Fig. 1 ein Bezugszeichen erhalten haben, mit den selben Bezugszeichen versehen. Das Emitterelement 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel als runde Scheibe ausgebildet und von dem Halter 6 in Preß- oder Klemm verbindung gehalten. Über diesen Halter 6 ist dem Emitter element 5 eine Spannung zuführbar, so daß dieses auf Emissions temperatur geheizt werden kann. Gegenüber dem Stand der Technik bildet dieses Emitterelement 5 einen Körper, welcher vollstän dig aus Elektronen emittierendem Material besteht. Dieses Emitterelement 5 besitzt im Unterschied zu einem wendel- oder mäanderförmig ausgebildeten Elektronenemitter eine gleichmäßige Oberfläche, die vollständig vom Emissionsmaterial gebildet ist. Wie schon eingangs erläutert wird hierdurch erreicht, daß die Elektronenverteilung wenigstens auf der der Anode 3 zugewandten Seite des Emitterelementes 5 über die gesamte Oberfläche gleichmäßig ist, so daß auch die auf die Anode 3 beschleunigten Elektronen eine gleichmäßige Elektronenverteilung im Brennfleck aufweisen. Hierdurch ist die im Brennfleck erzeugte Röntgen strahlung ebenfalls gleichmäßig. Als Emissionsmaterial für das Emitterelement 5 kann Wolfram, ein La-haltiges Material, vor zugsweise LaB₆, oder eine Verbindung mindestens eines Elementes aus der Gruppe der seltenen Erden und mindestens eines Elementes aus der Gruppe der Edelmetalle, so z. B. LaPt_x, wobei x = 1, 2 oder 5 sein kann, Anwendung finden.

Aus dem Journal of Applied Physics, Volume 22, Number 3, March 1951 von J.M.Lafferty mit dem Titel "Boride Cathodes" ist be kannt, daß LaB₆ eine hohe Emissionsstromdichte bei einer ge ringen Abdampfrate aufweist. Soll LaB₆ beispielsweise als Emissionsmaterial verwandt werden, so ist der Halterung eines beispielsweise durch LaB₆-Pulver durch Drucksintern bzw. Heiß pressen hergestellten polykristallinen Sinterkörpers besondere Bedeutung beizumessen. Diese Sinterkörper sind sehr hart und spröde und empfindlich gegen Zugspannungen. Zudem sind sie schlecht löt- und schweißbar, der Kontakt mit Metallen führt zur Zerstörung des LaB₆-Gefüges, so daß die Emissionseigen schaften im Laufe der Zeit verschlechtert werden. Diese Sinter körper können jedoch vorteilhaft in Klemm- oder Preßverbindung gehalten werden, wenn sie mit Graphit, Glaskohlenstoff oder mit einem Keramikmaterial in Verbindung stehen.

Ist eine reduzierte Leitfähigkeit des LaB₆-Sinterkörpers ge wünscht, so kann eine Mischung aus LaB₆ und aus einem Keramik pulver hergestellt werden, wobei in Abhängigkeit vom Anteil des Keramikpulvers die Leitfähigkeit eingestellt werden kann. Ein weiterer Weg zur Reduzierung der Leitfähigkeit besteht darin, daß ein poröser Sinterkörper hergestellt wird. Die Leit fähigkeit kann hierbei über die Porosität eingestellt werden. Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit des Emitterelementes 5 so eingestellt, daß der Strom, der vom Elektronenemitter während des Betriebes der Röntgenröhre aufgenommen wird, einen Wert von 0 Ampere nicht überschreitet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt dieser Wert im Bereich von 2 bis 10 Ampere.

Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, daß das Elektronen emittierende Material einen geringen Dampfdruck aufweist und daß die gewünschte Leitfähigkeit eingestellt werden kann.

Die Raumgestalt des Emitterelementes kann bei der Herstellung vorbestimmt werden. So ist es möglich, daß nicht nur scheib chenförmige Sinterkörper hergestellt werden. Diese Sinter körper können beispielsweise auch kugelförmig oder stabförmig ausgebildet sein, sie können aber auch eine andere geeignete Raumform einnehmen. Durch die gewählte Raumgestalt des Sinter körpers kann die Leitfähigkeit ebenfalls eingestellt werden.

Ein Beispiel einer Halterung eines Elektronenemitters ist in der Fig. 3 in Seitenansicht gezeigt. Das Emitterelement ist beispielsweise im Randbereich von einem Kontaktmaterial 11, beispielsweise aus Graphit, Glaskohlenstoff, oder leitfähiger Keramik, wie z. B. Karbide, Boride, Nitride, Sulfide, Silicide, eingefaßt. Zur weiteren Halterung ist mindestens ein Stütz element, vorzugsweise aber zwei Stützelemente 12, beispiels weise aus Nickel, Molybdän, Titan oder Ni-Fe-Legierungen vor gesehen, die mit einem Wandteil 13 des Glaskörpers 2 in Verbin dung stehen. Zur Spannungsversorgung des Emitterelementes 5 sind die Anschlüsse 7, 8 durch diesen Wandteil 13 geführt. Zur Fixierung des Emitterelementes 5 kann an der, den Anschlüssen 7, 8 gegenüberliegenden Stirnseite der Stützelemente 12 eine Andruckplatte 14 aus Nickel, Molybdän, Titan oder Ni-Fe- Legierungen vorgesehen sein. In dieser Ansicht ist also ein Emitterelement 5 gezeigt, das durch direkten Stromdurchgang auf Emissionstemperatur heizbar ist.

Das Emitterelement 5 kann, wie bereits eingangs erwähnt, auch durch indirekte Wärmezufuhr auf Emissionstemperatur geheizt werden. Hierbei kann das Emitterelement 5 beispielsweise im Randbereich durch ein einziges Stützelement aus einem Keramik material gehalten sein. Die Wärmezufuhr kann dann durch eine Strahlenquelle erfolgen, die beispielsweise als Wärmestrahlen quelle, Elektronenquelle oder als Lichtquelle ausgeführt ist.

Das Emitterelement 5 kann aber auch gemäß der Fig. 3 durch zwei Stützelemente aus Keramikmaterial gehalten sein, wobei unterhalb des Emitterelementes 5 ein Heizelement vorgesehen ist. Das Heizelement kann ebenfalls von den Stützelementen gehalten sein. Zur Spannungsversorgung können Anschlüsse des Heizelementes durch den Wandteil der Röntgenröhre geführt sein. Die Wärmeübertragung zum Emitterelement 5 erfolgt dabei indirekt, d. h. durch Wärmestrahlung.

Ein besonders vorteilhafter Aufbau des Elektronenemitters ergibt sich, wenn, wie in der Fig. 4 gezeigt, das Emitterele ment 5 als ebene Schicht ausgebildet mit einer ebenfalls ebenen Trägerschicht 15 in flächenhafter Verbindung steht. Einer Beschädigung des Elektronenemitters bei Erschütterung der Röntgenröhre ist somit besonders wirkungsvoll entgegen ge wirkt. Soll das Emitterelement 5 durch direkten Stromdurchgang auf Emissionstemperatur heizbar sein, so ist die ebene Träger schicht 15 vorzugsweise als Isolator ausgebildet.

Wird zwischen der ebenen Schicht des Emitterelementes 5 und der ebenen Trägerschicht 15 eine ebenfalls ebene Isolier schicht 16 zur elektrischen Isolation des Emitterelementes 5 vorgesehen, die Wärme gut leitet, so kann die Trägerschicht 15 eine Leitfähigkeit aufweisen, so daß sie bei Zuführung einer Spannung als Heizelement wirkt. Der Elektronenemitter ist somit durch die Trägerschicht 15 indirekt auf Emissionstempe ratur heizbar.

Es ist gezeigt, daß die Schichten 5, 15, 16 gemeinsam von zwei Stützelementen 17, 18 aus Metall oder einer leitfähigen Keramik gehalten sind, die mit dem Wandteil 13 der Röntgenröhre 1 in Verbindung stehen. Diese Stützelemente 17, 18 können auch zur Spannungsversorgung dienen. Durch dieses Ausführungsbei spiel ergibt sich also ein Elektronenemitter im Schichtaufbau.

Ein Elektronenemitter nach der Erfindung vereinigt die Vorteile einer besonders hohen Lebensdauer, einer besonders großen Sta bilität und einer gleichmäßigen Emission.

Besonders vorteilhaft wird die Kathode 4, insbesondere das Emitterelement 5, auch während des "stand-by" Betriebes der Röntgenröhre 1, d. h. also während der Zeitdauer, während der keine Röntgenstrahlung erzeugt werden soll, permanent auf Emissionstemperatur gehalten. Hierdurch werden thermische Spannungen vermieden, die das Emitterelement 5 mechanisch belasten. Zudem wird verhindert, daß Restgase vom Emitter element 5 während des "stand-by" Betriebes absorbiert werden, was die Emissionseigenschaften verschlechtern würde.

Claims

1. Elektronenemitter (5) einer Röntgenröhre (1), der einen geometrischen Körper bildet, welcher vollständig mit Elektronen emittierendem Material ausgefüllt ist.

2. Elektronenemitter (5) nach Anspruch 1, der scheibenförmig ausgebildet ist und dessen, der Anode 3 zugewandte Seite über die gesamte Oberfläche zur Emission von Elektronen anregbar ist.

3. Elektronenemitter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektronen emittierende Material La enthält.

4. Elektronenemitter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektronen emittierende Material zur Reduzierung der Leit fähigkeit ein Gemisch von LaB₆ und einem Keramikpulver enthält.

5. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Elektronen emittierende Material zur Reduzierung der Leitfähigkeit porös ist.

6. Elektronenemitter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektronen emittierende Material La und Pt enthält.

7. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leitfähigkeit des Elektronen emittierenden Materials so eingestellt ist, daß der Strom, der vom Elektronenemitter (5) während des Betriebes der Röntgenröhre aufgenommen wird, einen Wert von 50 Ampere nicht überschreitet.

8. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektronenemitter (5) zur Halterung mit Graphit, Glaskoh lenstoff oder mit einem Keramikmaterial in Verbindung steht.

9. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das die Elektronen emittierende Material als Schicht ausge bildet ist und mit einer Trägerschicht (15) in flächenhafter Verbindung steht.

10. Elektronenemitter nach Anspruch 9, wobei zwischen der Schicht aus Elektronen emittierendem Material und der Träger schicht (15) eine Isolierschicht (16) angeordnet ist.