DE19914739C1

DE19914739C1 - Kathode mit direkt geheitzem Flächenemitter

Info

Publication number: DE19914739C1
Application number: DE19914739A
Authority: DE
Inventors: Erich Hell; Detlef Mattern; Peter Schardt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-04-01

Abstract

Kathode mit einem direkt geheizten Emitter mit variabler Emissionsfläche, der von einem Teil der Stromzuführung bildenden Stützdrähten gehaltert ist, insbesondere für Röntgenröhren, wobei die Stromzuführungen zum Emitter zumindest teilweise separat beheizbar ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode mit einem direkt geheizten Emitter mit einer Emissionsfläche, der von einen Teil der Stromzuführung bildenden Stützfüßchen gehaltert ist, die insbesondere für Röntgenröhren geeignet ist.

Bei Röntgenanlagen werden in der Regel mehrere verschieden große Brennflecke der Röntgenquelle benötigt, wozu bisher in der Regel jeweils für jeden Brennfleck ein separater Emitter eingesetzt worden ist, dessen Emissionsfläche dem Brennfleck angepaßt ist. Weitere Möglichkeiten bestehen in einer va riablen Fokussierung durch elektrische und/oder magnetische Felder, die den Elektronenstrahl auf dem Weg bis zum Brenn fleck entsprechend beeinflussen können.

Außerdem ist es aus der DE 30 01 141 A1 bekannt, bei einer Kathodenanordnung für eine Röntgenröhre mit einem Kathoden kopf zur Elektronenfokussierung, der eine nutartige Vertie fung für die Heizwendel aufweist, den Kathodenkopf etwa senk recht zur Längsrichtung der Heizwendel in mehrere voneinander elektrisch isolierte Teile zu unterteilen, denen getrennte Steuerpotentiale zuführbar sind, um die Ausdehnung des Brenn flecks beeinflussen zu können.

Weiter ist es aus der FR 978 627 bekannt, eine flächenhafte Glühkathode zur Bildung eines elektrischen Leiters mit der Stromzuführung dienenden Stützfüßen zu unterteilen.

Alle diese bisherigen Losungen sind sowohl vom Aufbau als auch von der Betriebsweise her sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kathode der eingangs gerannten Art so auszugestalten, daß eine va riable Emissionsfläche unter Verwendung nur eines Emitters möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Stromzuführungen zum Emitter zumindest teilweise separat beheizbar ausgebildet sind, um auf diese Art und Weise die Temperaturverteilung auf der Emitteroberfläche und damit die Größe der Elektronen emittierenden Fläche zu steuern.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Emissionsstromdichte sehr stark von der Temperatur der Emis sionsfläche abhängt, so daß durch entsprechende Absenkung der Temperatur in den Randbereichen diese quasi abgeschaltet wer den können, da sie zur Elektronenemission im Verhältnis zum heißeren Zentrum praktisch nichts beitragen. Auf diese Art und Weise läßt sich dann eine zweckentsprechende Variation der Emissionsfläche erzielen, und zwar unabhängig davon, ob als Emitter eine herkömmliche Drahtwendel, eine Spiralwendel oder auch ein Flachemitter eingesetzt werden soll. Die An schlußbeine des Emitters wirken als Temperatursenke für die Ränder der Emitteroberfläche, so daß im bekannten Betrieb solcher Emitter die Ränder des Emitters bzw. die Enden bei einem Drahtwendel-Emitter stets eine wesentlich geringere Temperatur aufweisen als die Zentrumsbereiche, so daß sie zur Elektronenemission praktisch nicht beitragen und deshalb die wirksame Emissionsfläche wesentlich kleiner ist als die Größe des Emitters selbst. Die Verhinderung der Ausbildung einer solchen Wärmesenke durch eine gezielte Zusatzheizung kann da bei in Weiterbildung der Erfindung in unterschiedlicher Weise erfolgen.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, daß die den Emitter tragenden Stützdrähte im wesent lichen U-förmig ausgebildet sind und daß die Schenkel jedes Stützdrahtes jeweils an eine Zusatzheizstromquelle anschließ bar sind. Durch diese Heizung der Stützdrähte können die Emitterbeine keine Temperatursenke mehr bilden, so daß die gesamte Emitterfläche als Emissionsfläche zur Verfügung steht.

Stattdessen kann aber bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen sein, daß die Emitterbeine des Flachemitters unter Bildung zweier Schenkel geschlitzt sind, daß die Schenkel jedes Emitterbeins jeweils über eine Zusatz heizstromquelle verbunden sind und daß je ein Schenkel jedes Emitterbeins an die Emitterheizstromquelle angeschlossen ist. In diesem Fall werden also nicht die eigentlichen tragenden Stützdrähte beheizt, sondern die diese mit der Emitterfläche verbindenden relativ kurzen Emitterbeine.

Der Emitterheizstrom und der Zusatzheizstrom zur separaten Beheizung der Stromzuführungen zum Emitter können wahlweise über getrennte Heizstromübertrager zugeführt werden oder aber man kann auch vorsehen, daß die getrennte Heizung des Emit ters und seiner Stromzuführungen durch eine frequenzabhängige Steuerung erfolgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfüh rungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Emissionsstromdichte als Funktion der Temperatur für Wolfram,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kathode für eine Röntgenröhre, bei der erfindungsgemäß die Emitterbeine geheizt werden,

Fig. 3 ein Schaltbild mit den verschiedenen Heizströmen der Anordnung nach Fig. 2, wobei der Emitter als ge schlitzter Flachemitter mit abgewinkelten Emitter beinen ausgebildet ist,

Fig. 4 und 5 Aufsichten auf den in gestreckter Ausführung ge zeigten Emitter nach Fig. 3 und die sich ergebenden Temperaturen mit und ohne Zusatzheizung der Emit terbeine,

Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende schematische Darstel lung einer Kathode, bei der die Stützdrähte für den Emitter separat beheizbar sind, und

Fig. 7 eine der Fig. 3 entsprechende Schaltungsdarstellung zur Zusatzheizung gebogener Stützdrähte bei einem Wendel-Emitter.

Aus dem Diagramm nach Fig. 1 erkennt man die hohe Empfind lichkeit der Emissionsstromdichte je als Funktion der Tempe ratur T für Wolfram. Durch Temperaturänderungen von nur etwa 200°C ergeben sich Änderungen der Emissionsstromdichte um eine ganze Größenordnung. Dies führt dazu, daß beispiels weise bei einer Kathode einer Röntgenanlage mit einem Emitter 1, wie er in Fig. 2 angedeutet ist, die durch die Emitter beine 2 gebildete Temperatursenke am Rand des Emitters 1 Tem peraturen auftreten, die um mindestens 300°C kleiner sind als die Kerntemperatur in der Mitte der Emissionsfläche des Flachemitters 1. Dies wiederum hat zur Folge, daß in den Randbereich um Größenordnungen weniger Elektronen emittiert werden, so daß diese Randbereiche praktisch als Emissionsflä che überhaupt nicht zur Verfügung stehen. Dies wiederum läßt sich nun dazu ausnützen, um eine variable Emissionsfläche auszubilden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 bis 5 ist der Emitter 1 ein durch Schlitze 3 im wesentlichen in spira lig verlaufende Leiterbahnen unterteilter Flachemitter mit angeformten Emitterbeinen 2, die ihrerseits durch vom freien Ende 4 ausgehende Schlitze 5 in jeweils zwei Schenkel 2a und 2b unterteilt sind. An die Schenkel 2a wird die Heizstrom quelle U_H zum Aufheizen des Emitters 1 angelegt. Über einen Übertrager Ü werden jeweils die beiden Schenkel 2a, 2b jedes Emitterbeins 2 unabhängig vom Emitterheizstrom über die Heiz stromquelle U_H an eine Zusatzheizstromquelle angeschlossen, so daß die Emitterbeine 2 gesondert von einem Zusatzheizstrom durchflossen sein können, der die ansonsten wegen der Wärme ableitung über die Stützdrähte 6 auftretende Wärmesenke in den Emitterbeinen 2 und damit im Randbereich der Emitterflä che verhindert.

In Fig. 4 und 5 erkennt man die sich einstel lenden Temperaturverhältnisse ohne Zusatzheizung der Emitter beine (Fig. 4) und mit Zusatzheizung der Emitterbeine (Fig. 5). Man erkennt daraus, daß mit der Zusatzheizung die Tempe ratur der Emitterbeine den gleichen Wert aufweist wie im Zen trum und im Randbereich der eigentlichen Emitterfläche. Ohne die Zusatzheizung liegt die Temperatur der Emitterbeine um mehr als 800°C unter der Temperatur, die im Zentrumsbereich 7 des Emitters 1 herrscht, also unterhalb der Temperatur von 2300°C. Im Randbereich liegt die Temperatur dazwischen bei etwa 2000°C, also immer noch um wenigstens 300°C unter der im Zentrumsbereich 7, so daß die Elektronenemission in diesem Randbereich um wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als im Zentrumsbereich 7. Dies wiederum bedeutet, daß der Randbe reich zur Ausbildung des Elektronenstrahls nahezu überhaupt nicht beiträgt. Die wirksame Emissionsfläche entspricht nur dem Zentrumsbereich 7 des Emitters. Mit Zusatzheizung (Fig. 5) ist die Temperatur in den Beinchen nur wenig kleiner als 2300°C und deshalb ist die Temperatur des Emitters auf seiner ganzen Fläche etwa gleich hoch oberhalb 2300°C.

In Fig. 6 ist schematisch eine Kathodenausbildung darge stellt, bei der die durch die Vakuumdurchführung (Isolator) 8 durchgeführten Stützdrähte 6 der Anordnung nach Fig. 2 durch im wesentlichen U-förmig gebogene Stützdrähte 6' ersetzt sind, die jeweils mit zwei Schenkeln 6a und 6b nach außen ge führt sind. Diese ermöglichen das Anlegen gesonderter Zusatz heizstromquellen U_Z1 und U_Z2 neben der normalen Emitterheiz stromquelle U_H. Durch das Heizen der gebogenen Stützdrähte 6' weisen diese im Ansatzbereich der Emitterbeine 2 eine hohe Temperatur auf, so daß für die Stützdrähte 6' keine Wärme ab gezogen wird, die sich dann als Temperatursenke im Randbe reich des Emitters 1 auswirken kann. Die Emitterbeine 2 brau chen bei der Ausbildung nach Fig. 6 natürlich nicht ge schlitzt und separat heizbar ausgebildet sein.

Die Fig. 7 zeigt schließlich ein der Fig. 3 entsprechendes Schaltbild für einen Emitter 1', der als Drahtwendel ausge bildet ist. Die Anschlußbeine 2' der Drahtwendel sind wie derum an einem beheizten Stützdraht 6' befestigt. Die Zusatz heizung entspricht also hier dem gleichen Typ wie bei Fig. 6. Es werden nicht die Emitterbeine 2 bzw. 2' geheizt, sondern die Stützdrähte 6'.

Anstelle der Zusatzheizung über eine gesonderte Heizstrom übertragung, wie er in den Figuren dargestellt ist, könnte auch eine frequenzabhängige Steuerung der Emitterheizung und der Zusatzheizung der Emitterbeine bzw. der Stützdrähte vor gesehen werden.

Claims

1. Kathode, insbesondere für Röntgenröhren, mit einem direkt geheizten Emitter mit variabler Emissionsfläche, der von einen Teil der Stromzuführung bildenden Stützdrähten gehal tert ist und bei der die Stromzuführungen zum Emitter (1) zumindest teilweise separat beheizbar ausgebildet sind.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die den Emitter (1) tra genden Stützdrähte (6) im wesentlichen U-förmig ausgebildet sind und daß die Schenkel (6a, 6b) jedes Stützdrahtes (6) je weils an eine Zusatzheizstromquelle (U_Z1, U_Z2) anschließbar sind.

3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Emitterbeine (2) eines als Flachemitter ausgebildeten Emitters (1) unter Bildung je weils zweier Schenkel (2a, 2b) geschlitzt sind, daß die Schenkel jedes Emitterbeins (2) jeweils über eine Zusatz stromquelle (U_Z1, U_Z2) verbunden sind und daß je ein Schenkel (2a, 2b) jedes Emitterbeins (2) an die Emitter-Heizstrom quelle (U_H) angeschlossen ist.

4. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterheizstrom und der Zusatzheizstrom über getrennte Heizstromübertrager zugeführt werden.

5. Kathode nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennte Heizung des Emitters und seiner Stromzuführungen durch eine frequenzabhängige Steuerung erfolgt.