DE102012205715B4

DE102012205715B4 - Electron emitter for an X-ray tube and X-ray tube with such an electron emitter

Info

Publication number: DE102012205715B4
Application number: DE102012205715.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Fürst; Freddy Güthlein; Matthias Seufert
Original assignee: Siemens Healthineers AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2024-11-28
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: CN103367082B; DE102012205715A1; CN103367082A

Abstract

Elektronenemitter (16) für eine Röntgenröhre (10) mit einem flachen, stromführenden Leiter (20) zur thermischen Emission von Elektronen (e^-), der durch eine Leiterbahn (22) gebildet ist, die eine V-förmige Mäanderstruktur aufweist, die durch zwischen benachbarten Schenkeln (28) der Leiterbahn (22) befindliche Ausnehmungen (24) gebildet ist, die sich zum seitlichen Rand (26) des Leiters (20) hin aufweiten.

Electron emitter (16) for an X-ray tube (10) with a flat, current-carrying conductor (20) for the thermal emission of electrons (e ^- ), which is formed by a conductor track (22) having a V-shaped meander structure formed by recesses (24) located between adjacent legs (28) of the conductor track (22), which widen towards the lateral edge (26) of the conductor (20).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenemitter für eine Röntgenröhre, der aus einem flachen stromführenden Leiter zur thermischen Emission von Elektronen gebildet ist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine einen solchen Elektronenemitter aufweisende Röntgenröhre.The invention relates to an electron emitter for an X-ray tube, which is formed from a flat current-carrying conductor for the thermal emission of electrons. The invention also relates to an X-ray tube having such an electron emitter.

Zur thermischen Emission von Elektronen in einer Röntgenröhre ist es beispielsweise aus der DE 27 27 907 C2 bekannt, einen sogenannten Flachemitter einzusetzen, der aus einem abwechselnd mit abwechselnd von einander gegenüberliegenden Seiten eingebrachten Einschnitten versehenen Blechstreifen aus hochschmelzendem Material besteht, so dass die auf diese Weise entstehende stromführende Leiterbahn eine mäanderförmige Gestalt aufweist. Ein derartiger, aus dem Stand der Technik bekannter Elektronenemitter ist ausschnittsweise in 1 und 2 in einer Draufsicht bzw. einem Längsschnitt dargestellt. Die in den dünnen, in der Regel aus Wolfram W bestehenden Blechstreifen 2 der Dicke d eingebrachten Einschnitte oder Ausnehmungen 4 sind dabei rechteckförmig und haben eine Breite a von etwa 10µm bis einigen 100µm. Der Abstand der Ausnehmungen 4 ist dabei so dimensioniert, dass der vom Werkstoff, der Dicke d und der Breite b der durch die Ausnehmungen entstehenden Leiterbahn 6 abhängige elektrische Widerstand hoch genug ist, um durch den bei einer vorgegebenen Spannung fließenden Strom die Temperatur derart zu erhöhen, dass eine thermische Emission von Elektronen stattfindet.For the thermal emission of electrons in an X-ray tube, for example, it is known from DE 27 27 907 C2 It is known to use a so-called flat emitter, which consists of a sheet metal strip made of high-melting material with alternating incisions made from opposite sides, so that the current-carrying conductor track created in this way has a meandering shape. Such an electron emitter known from the prior art is shown in detail in 1 and 2 shown in a top view or a longitudinal section. The incisions or recesses 4 made in the thin sheet metal strips 2 of thickness d, which are usually made of tungsten W, are rectangular and have a width a of about 10 µm to several 100 µm. The distance between the recesses 4 is dimensioned such that the electrical resistance, which depends on the material, the thickness d and the width b of the conductor track 6 created by the recesses, is high enough to increase the temperature by the current flowing at a given voltage to such an extent that a thermal emission of electrons takes place.

Derartige Elektronenemitter werden jedoch durch Aufheiz- und Abkühlphasen thermisch hoch belastet, so dass diese nach relativ kurzer Standzeit ausgewechselt werden müssen.However, such electron emitters are subjected to high thermal stress during heating and cooling phases, so that they must be replaced after a relatively short period of use.

US 3 788 721 A offenbart Metallelemente, welche üblicherweise aus hochschmelzendem Metall, für elektrische Geräte wie Glühfäden für Glühlampen, Kathoden von Entladungslampen, Gitter oder Heizelemente für Glühventile und Strahlungselemente für elektrische Heizgeräte hergestellt werden, indem auf einem Metallgewebe ein Muster aus einer Ätzresistschicht geformt wird, das Gewebe geätzt wird, die Resistschicht entfernt wird und das geätzte Produkt in eine kompakte Form gebogen wird. Das erzeugte Element weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, der ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Querschnittsfläche bietet, was zu einer hohen Wärme- und Lichtemissionseffizienz führt. US 3 788 721 A discloses metal elements, usually made of refractory metal, for electrical equipment such as filaments for incandescent lamps, cathodes of discharge lamps, grids or heating elements for incandescent valves and radiant elements for electrical heaters, by forming a pattern of an etching resist layer on a metal mesh, etching the mesh, removing the resist layer and bending the etched product into a compact shape. The element produced has a substantially rectangular cross-section providing a high surface to cross-sectional area ratio, resulting in high heat and light emission efficiency.

US 2010 / 0 207 508 A1 offenbart einen thermionischen Elektronenemitter, der aus einem Emitterteil mit einer im Wesentlichen ebenen Elektronenemissionsfläche und einer daran angrenzenden Begrenzungsfläche besteht. Um durch äußere Kräfte hervorgerufene Hauptspannungsbelastungen besser absorbieren zu können, ist das Emitterteil mit einem anisotropen polykristallinen Material versehen, das eine Kristallkornstruktur aus langgestreckten, ineinander verschlungenen Körnern aufweist, deren Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der unter normalen Betriebsbedingungen auftretenden Hauptspannungsbelastungen ausgerichtet ist. US 2010 / 0 207 508 A1 discloses a thermionic electron emitter comprising an emitter part with a substantially planar electron emission surface and a boundary surface adjacent thereto. In order to better absorb principal stresses caused by external forces, the emitter part is provided with an anisotropic polycrystalline material having a crystal grain structure of elongated, intertwined grains whose longitudinal direction is oriented substantially perpendicular to the direction of the principal stresses occurring under normal operating conditions.

In US 7 924 983 B2 wird eine Elektronenemitteranordnung zur Verwendung in einem Röntgenstrahl-emittierenden Gerät oder einem anderen Gerät mit Elektronenemitter offenbart. Die Elektronenemitteranordnung umfasst eine feuerfeste Metallfolie mit einer Vielzahl geformter Sprossenstrukturen zum Emittieren eines Elektronenstrahls, die den Fluss maximiert und den Elektronenstrahl gleichzeitig in zwei Dimensionen fokussiert. Darüber hinaus kann die feuerfeste Metallfolie mit einer modifizierten Austrittsarbeit zur bevorzugten Elektronenemission konfiguriert werden.In US 7 924 983 B2 discloses an electron emitter assembly for use in an x-ray emitting device or other device having an electron emitter. The electron emitter assembly includes a refractory metal foil having a plurality of shaped rung structures for emitting an electron beam that maximize flux and simultaneously focus the electron beam in two dimensions. In addition, the refractory metal foil can be configured with a modified work function for preferential electron emission.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Elektronenemitter für eine Röntgenröhre anzugeben, der aus einem flachen stromführenden Leiter zur thermischen Emission von Elektronen gebildet ist, dessen Standzeit erhöht ist, und der dementsprechend seltener ausgewechselt werden muss. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Röntgenröhre mit einem solchen Elektronenemitter anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying an electron emitter for an X-ray tube which is formed from a flat current-carrying conductor for the thermal emission of electrons, whose service life is increased and which accordingly has to be replaced less frequently. The invention is also based on the object of specifying an X-ray tube with such an electron emitter.

Hinsichtlich des Elektronenemitters wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst der Elektronenemitter einen flachen stromführenden Leiter, der durch eine Leiterbahn gebildet ist, die eine V-förmige Mäanderstruktur aufweist. Die in die Leiterbahn eingebrachten Ausnehmungen oder Einschnitte haben eine V-förmige Gestalt, und weiten sich zum Rand eines zur Herstellung des Leiters benutzten Blechstreifens auf.With regard to the electron emitter, the above-mentioned object is achieved according to the invention with the features of patent claim 1. According to these features, the electron emitter comprises a flat current-carrying conductor which is formed by a conductor track which has a V-shaped meander structure. The recesses or incisions made in the conductor track have a V-shaped configuration and widen towards the edge of a sheet metal strip used to produce the conductor.

Durch diese Gestaltung ist es möglich, bei gleichen äußeren Abmessungen einen Teilchenstrom freier Elektronen zu erzeugen, der praktisch genauso groß ist wie der von den im Stand der Technik bekannten Elektronenemittern erzeugte Teilchenstrom wobei zugleich die Standzeit signifikant erhöht ist.This design makes it possible to generate a particle stream of free electrons with the same external dimensions that is practically as large as the particle stream generated by the electron emitters known in the state of the art, while at the same time significantly increasing the service life.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenemitter einhergehenden kurzen Standzeiten dadurch verursacht sind, dass sich zwischen den im Mäander benachbarten Leiterbahnen bedingt durch die sich beim Aufheizen bzw. Abkühlen ergebenden Längenausdehnungen bzw. Längenkontraktionen Kurzschlüsse entstehen können. Durch die gemäß der Erfindung vorgesehenen V-förmigen Ausnehmungen entstehen zum seitlichen Rand hin größere Abstände oder Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen, die das Risiko eines an den äußeren Rändern auftretenden Kurzschlusses zwischen den Leiterbahnen signifikant verringern. Dabei hat sich in der Praxis bereits bei einer geringen Aufweitung um einige 10µm bis zum Rand bei sonst gleichbleibenden Abmessungen eine Erhöhung der Standzeit um den Faktor 9 ergeben. Darüber hinaus hat sich außerdem gezeigt, dass das Emissionsprofil der Elektronen durch diese V-förmige mäanderförmige Struktur praktisch nicht beeinflusst wird, da die Randbereiche der Einschnitte zum Stromtransport und damit zur Elektronenemission praktisch nichts beitragen.The invention is based on the finding that the short service life associated with the electron emitters known from the prior art is caused by the fact that between the conductor tracks adjacent to each other in the meander, due to the thermal expansion during heating or cooling. Cooling down can cause short circuits. The V-shaped recesses provided according to the invention result in larger distances or gaps between the conductor tracks towards the lateral edge, which significantly reduce the risk of a short circuit occurring between the conductor tracks at the outer edges. In practice, even a small expansion of a few 10 µm up to the edge, with otherwise constant dimensions, has resulted in an increase in service life by a factor of 9. In addition, it has also been shown that the emission profile of the electrons is practically not influenced by this V-shaped meandering structure, since the edge areas of the cuts contribute practically nothing to current transport and thus to electron emission.

Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff „V-förmig“ ist dabei als Struktur zu verstehen, die einen „V“ gleicht. So müssen die Schenkel des „V“ weder geradlinig verlaufen, noch müssen diese in einer Spitze zusammentreffen. Wesentlich ist, dass sich die Ausnehmung zum seitlichen Rand hin aufweitet.The term "V-shaped" used in the present application is to be understood as a structure that resembles a "V". The legs of the "V" do not have to be straight, nor do they have to meet at a point. What is important is that the recess widens towards the lateral edge.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The above-described properties, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawings.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:

1 und 2 einen im Stand der Technik bekannten Elektronenemitter in einem Ausschnitt in einer Draufsicht bzw. einem Längsschnitt,
3 eine Prinzipdarstellung einer Röntgenröhre gemäß der Erfindung,
4 und 5 einen Elektronenemitter gemäß der Erfindung ebenfalls in einer schematischen Draufsicht bzw. einem Längsschnitt.

For a further description of the invention, reference is made to the embodiments shown in the figures of the drawings. They show:

1 and 2 an electron emitter known in the prior art in a detail in a plan view or a longitudinal section,
3 a schematic diagram of an X-ray tube according to the invention,
4 and 5 an electron emitter according to the invention also in a schematic plan view and a longitudinal section.

Gemäß 3 umfasst eine Röntgenröhre 10 ein Gehäuse 12, in dem eine Anode 14 sowie ein Elektronenemitter 16 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen Anode 14 und Elektronenemitter 16 liegt eine Hochspannung an, mit der die aus dem Elektronenemitter austretenden Elektronen e^- zur Anode 14 hin beschleunigt werden und in dieser Röntgenstrahlen γ erzeugen, die durch ein in dem Gehäuse 12 befindliches Fenster 18 austreten.According to 3 an X-ray tube 10 comprises a housing 12 in which an anode 14 and an electron emitter 16 are arranged opposite one another. A high voltage is applied between the anode 14 and the electron emitter 16, with which the electrons e ^- emerging from the electron emitter are accelerated towards the anode 14 and generate X-rays γ in this anode, which emerge through a window 18 located in the housing 12.

4 und 5 zeigen einen Röntgenemitter gemäß der Erfindung in einer vergrößerten Darstellung. Der Röntgenemitter umfasst einen flachen stromführenden elektrischen Leiter 20, dessen Leiterbahnen 22 eine V-förmige Mäanderstruktur aufweisen. Diese Mäanderstruktur entsteht durch V-förmige Einschnitte oder Ausnehmungen 24, die ausgehend vom Rand 26 in einen Blechstreifen durch Mikrobearbeitung mit einem Laserstrahl oder mit einem Drahterodierverfahren eingebracht worden sind und sich zum Rand 26 des Blechstreifens hin aufweiten. Die Ausnehmungen 24 sind dementsprechend derart geformt, dass deren Breite a₁ an diesen Rändern 26 größer ist als an der innenliegenden Basis der Ausnehmung. Im Beispiel beträgt der Unterschied zwischen a₁ und a₂ einige 10µm. Benachbarte Schenkel 28 der Leiterbahn 22 sind dabei über eine geradlinig zwischen den Schenkeln 28 verlaufende Basis 30 miteinander verbunden. In der in den 4 und 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind außerdem geradlinig verlaufende Schenkel der V-förmigen Ausnehmungen 24 bzw. geradlinig verlaufende seitliche Kanten der Schenkel 28 der Leiterbahn 22 vorgesehen. 4 and 5 show an X-ray emitter according to the invention in an enlarged view. The X-ray emitter comprises a flat current-carrying electrical conductor 20, the conductor tracks 22 of which have a V-shaped meander structure. This meander structure is created by V-shaped incisions or recesses 24, which have been introduced into a sheet metal strip starting from the edge 26 by micro-machining with a laser beam or with a wire erosion process and widen towards the edge 26 of the sheet metal strip. The recesses 24 are accordingly shaped in such a way that their width a ₁ is greater at these edges 26 than at the inner base of the recess. In the example, the difference between a ₁ and a ₂ is a few 10 µm. Adjacent legs 28 of the conductor track 22 are connected to one another via a base 30 running in a straight line between the legs 28. In the 4 and 5 In the preferred embodiment shown, straight legs of the V-shaped recesses 24 or straight lateral edges of the legs 28 of the conductor track 22 are also provided.

Im Beispiel der Figur sind außerdem zwei derartige Leiterbahnen 22 nebeneinander angeordnet, die ebenfalls durch Mikrobearbeitung aus einem einzigen Blechstreifen hergestellt werden können.In the example of the figure, two such conductor tracks 22 are also arranged next to each other, which can also be produced by micromachining from a single sheet metal strip.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited to the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

electron emitter (16) after claim 1 , in which the conductor (20) is formed by a sheet metal strip provided with V-shaped recesses (24).

electron emitter (16) after claim 1 or claim 2 , in which adjacent legs (28) of the meander structure are connected to one another via a base (30) running straight between the legs (28).

electron emitter (16) after claim 1 , 2 or 3 , in which two adjacent conductor tracks (22) with a V-shaped meander structure are provided.

X-ray tube (10) with an electron emitter (16) according to one of the preceding claims.