热电子发射极、制备其的方法和包括其的x射线源的利记博彩app

专利名称：热电子发射极、制备其的方法和包括其的x射线源的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于通过热发射来发射电子的热电子发射极、 一种用于制备这种
热电子发射极的方法以及一种包括这种热电子发射极的x射线源。
背景技术：
关于X射线源的高端CT(计算机断层摄影)和CV(心血管)成像未来要求更高的功率/管电流、关于管电流的响应时间(尤其是在期望进行脉冲调制时)更短以及与未来探测器系统要求相应的更小焦斑。 在更小焦斑中达到更高功率的一个关键可以通过使用复杂的电子光学理念(electron-optical conc印t)给出。但同样重要的是电子源本身和电子的启动条件。对于X射线管的热电子发射极而言，加热金属表面以达到l-2A的电子发射电流是必要的。X射线管中的这些电子电流对于现有技术的医疗应用是必须的。对于当今的高端X射线管而言，通常使用直接或间接加热式扁平发射极。 图la示出了常规的具有矩形轮廓的直接加热式扁平发射极101的例子。平的电
子发射表面103构造有窄缝109以限定电通路并获得所需要的高电阻。将薄发射极膜在连
接点105处固定至端子107，外部电压能够通过该端子107而施加至所构造的发射表面，以
便引入加热电流将发射表面加热至热电子发射的温度，例如高于2000°C。 由于该发射极构思的100-200 ii m的小厚度和因其平坦而具有足够的光学质量，
因此该发射极构思的热响应时间小。在当今现有技术X射线管中能够实现该设计构思的各
种变体。 图lb示出了常规的具有圆形轮廓的直接加热式扁平发射极201的另一个例子。平的电子发射表面203构造有圆形弯曲的窄缝209以限定电通路。通过连接点205而连接到其上的端子207，外部电压能够施加至发射表面以引入加热电流。 图2示出了在图la中所示的发射极1的示意性顶视图。在发射表面3中形成狭缝9(其宽度在图2中被放大示出)，使得得到具有传导通路11的迂回弯曲状结构。
为了达到例如在X射线管中应用电子发射极所需的电子发射水平，上面参照图la、图lb和图2描述的具有迂回弯曲状结构的发射表面的发射极可以通过施加电流而在其发射表面中加热到2400°C。与实际电子发射表面毗连的边界表面5也被加热，但这里所达到的温度比用于热电子发射的温度低。在高温下，发射极结构的机械稳定性和刚度显著降低。 由于其惯性，电子发射极可能经历大于30g的加速度，该加速度例如是由在CT机架上的发射极的旋转导致的。作为施加这种外部载荷的结果，迂回弯曲状结构可以以这样的方式发生形变即，发射极部分区域中的狭缝9、109、209的宽度增加，并且更重要的是，在其他部分区域中的狭缝9、109、209的宽度减小。 不管所施加的外部载荷的方向如何，通常在图3b的局部放大视图中所示意性示出的迂回弯曲状发射极结构的高曲率区域13中达到机械应力的最大值。在图中，可以以平
3行于电子发射极表面的任意方向施加外力F，而在区域13的主机械应力载荷L通常取自沿着如图中所描绘的X轴线的方向。 高温度和机械应力的结合可以导致发射极结构的蠕变变形，尤其是在主载荷区域13中的蠕变变形。在这样的区域中在X方向上的蠕变变形能够导致形成迂回弯曲状发射极结构的传导通路11的杆件12过早的接触，并且随后可能导致短路。这可以恶化发射极的电子发射特性，进而可能縮短电子发射极的寿命。 人们需要一种改进的热电子发射极和包括该发射极的X射线源以及用于制备热电子发射极的方法，其中，电子发射特性得到改善和/或这样的电子发射极特性随时间的稳定性得到增加和/或电子发射极的寿命得到增加。

发明内容
这一需要可以通过根据独立权利要求之一的主题得以满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。 根据本发明的第一方面，提出一种热电子发射极，其包括带有基本上平的电子发
射表面和与该电子发射表面毗连的边界表面的发射极部分。该热电子发射极还包括用于将
发射表面加热至进行热电子发射的温度的加热布置。该发射极部分包括具有细长交错晶粒
的晶体结构的各向异性多晶材料，其中所述细长交错晶粒的尺寸在纵向方向比在横向方向
大。晶粒的纵向方向垂直于发射极正常工作期间发生主应力载荷的方向。 本发明的第一方面可以认为是基于提供一种热电子发射极的想法，其中该热电子
发射极通过使用各向异性多晶材料能够在通常发生主载荷的方向上实现增加的机械稳定
性。这种增加的机械稳定性能够通过将多晶材料的细长交错晶粒的纵轴在基本上垂直于主
应力载荷的方向上进行取向来实现。 下面，将详细解释根据该第一方面的热电子发射极的可能特征和优点。
这里，热电子发射极可以被解释为具有这样的电子发射极表面，该电子发射表面在工作期间被加热布置加热至进行热电子发射的例如高于200(TC的非常高的温度，使得发射表面中的电子具有能够从发射表面逃逸出的高动力学能量。然后，所释放的电子能够在电场中加速并且能够被引导(例如)到阳极上，以产生X射线。 发射表面基本上是平的，这意味着在发射表面内基本上没有弯曲或突出，弯曲或
突出可能会干扰或偏置在电子发射极和阳极之间施加的电势。然而，发射表面可以例如借
助于狭缝或间隙等进行构造以限定预确定电阻的传导通路。通过将外部电压施加至这些传
导通路上的端部端子，可以在用于加热发射表面的传导通路内引入电流。 在热电子发射极的发射极部分，热电子发射极还包括至少一个与实际电子发射表
面毗连的边界表面。在工作期间，该边界表面通常较少加热或不充分加热并且保持在基本
上低于进行热电子发射的温度。例如，由于与本身温度高于200(TC的电子发射表面进行热
交换，边界表面可能具有低于200(TC的温度。边界表面例如用于将发射极部分固定至阴极
罩或用于将端子附接至发射极部分，通过该端子能够将外部电压能够施加至发射极部分以
引入加热电流。 用于加热发射极表面的加热布置可以以不同方式实现。在所谓的直接加热热电子发射极中，加热布置能够被集成到电子发射极的发射极部分中。如前所述，可以将端子设置在发射极部分上，而可以将电子发射表面，任选地还有边界表面的部分构造成具有电传导通路，使得流经这些通路的电流加热发射表面。然后发射表面的实际温度和电子发射特性尤其取决于所施加的外部电压、电子发射表面的材料特征和电子发射表面的几何结构。
或者，在所谓的间接加热的电子发射极中，可以提供外部加热布置。例如，来自辅助电子源的经加速的电子可以被引导到电子发射极的发射表面上，以便通过电子轰击对发射表面加热。或者，可以将诸如激光的强光源引导到发射表面上以通过光吸收对发射表面加热。 发射极部分所使用的材料，尤其是用于电子发射表面的材料，或者任选地也用于边界表面的材料，可以是适于进行热电子发射的高温的任意各向异性多晶材料。这里，多晶材料的宏观各向异性特征是由大多数细长晶粒基本上在公共纵向方向上进行取向的晶体结构产生的。由于这种各向异性结构，多晶材料的机械特性在不同方向可能不同。例如，与在基本上垂直于纵向方向上对该材料施加外力相比，当在纵向方向上对该材料施加外力时，材料在高温下的蠕变基本上是不同的。 本发明的发明人已经发现，当由各向异性多晶材料限定的纵向方向的取向基本上垂直于发射极工作期间通常发生主应力载荷的方向时，能够提供有利的电子发射极。本领域技术人员在设计用于热电子发射极的任选在例如平的电子发射表面上包括狭缝或间隙的发射极部分时，通常知道在发射极正常工作期间主应力载荷在哪个方向发生。应力载荷的这种方向和大小可能尤其取决于发射极部分的轮廓、包括任选的间隙或狭缝的发射极部分的内部结构、发射极部分的机械支撑相对于承载结构(诸如在X射线管中)的位置和在正常工作情况下发射极部分所经受的运动和加速度。考虑到这样的参数和条件，本领域技术人员能够评估、模拟或测量在发射极的正常工作期间所发生的主应力载荷的方向和可能大小。在发射极部分的整个表面上这样的主应力载荷的方向可以相同，或者在该表面上该主应力载荷的方向可以由于发射极部分的局部几何结构或特性而发生变化。例如，如在下面更详细描述的，在如在图la中所示的平坦矩形发射极部分中的主应力载荷通常平行于发射极部分的纵轴，而在如图lb中所示的圆形发射极部分中，应力载荷的方向明显可以取决于在发射极部分的表面上的位置。 在直接加热电子发射极的情况下，各向异性多晶材料可以是诸如金属的导电材料。这样的材料例如为钨、钨合金(WRe)或钽。 在本文中，术语"基本上垂直"取向应当在考虑到使用各向异性晶体结构的目的情况下来进行解释。晶界的取向相对于主应力载荷的方向介于45。和135°之间的细长晶粒的比例应当占多数。换言之，晶界较多地具有基本上垂直于主应力载荷方向的取向，而较少地具有基本上平行于该方向的取向。与此相反，使用各项同性多晶材料的常规电子发射极，经统计发现其晶界在所有方向上发生的比例相同。 根据本发明的实施例，热电子发射极中，在电子发射表面以及边界表面这两个区域中，晶粒的纵向方向具有基本上垂直于主应力载荷方向的取向。 该实施例是基于这样的发现S卩，在工作期间，这两个区域均处在几百摄氏度和高达250(TC之间的高温下。一方面，在这样的高温下，发射极部分的机械稳定性可能显著受到影响从而使得如上所述的细长晶粒的取向可以有利地有助于经加热的发射极部分的稳定性。另一方面，已经发现晶粒能够沿着其晶界"滑动"，尤其是在这样的高温下，这能够导致多晶材料的塑性形变。"滑动"晶粒的过程也被称作为材料的"蠕变"。这样的机械蠕变在 边界表面中具有的温度下就已经出现。 此外，已经发现晶体结构的晶体生长和重新取向能够在高温和外力下出现。这里， 晶体生长的速率强烈依赖于温度而重新取向的方向受瞬时温度梯度和局部最大应力的方 向影响。在经加热的发射表面中，温度非常高但温度梯度相对小，从而使得在该区域中的晶 体结构仅有很小的重新取向。相反，在边界区域，可以发生大温度梯度，从而试图将晶体结 构重新取向到与主应力载荷的方向平行的方向上。因为这样的平行晶体结构将对整个发射 极部分的机械稳定性不利，所以这样的平行重新取向应当被尽可能延缓。因此，在发射极部 分的基本上整个表面为其提供基本上垂直于主应力载荷方向的晶粒取向，以便使热电子发 射极具有有利的"初始条件"是有利的。 根据本发明另一实施例，在电子发射表面中提供狭缝以便以迂回弯曲的形式限定 传导通路，其中该迂回弯曲形式包括具有高曲率的局部区域和与其毗连的具有较低曲率的 局部区域，并且其中，晶粒的纵向方向垂直于具有较高曲率的局部区域中的迂回弯曲形式 的纵向方向。换言之，电子发射表面能够包括传导通路，该传导通路的部分被间隙或狭缝电 分离。这里，传导通路具有迂回弯曲的形式，其中传导通路具有直的或几乎不弯曲的部分和 严重弯曲的其他部分。已经发现，对传导通路的主机械应力发生在高曲率的区域并且这样 的应力载荷的方向通常平行于传导通路的迂回弯曲形式的纵向方向。因此，将细长晶粒的 取向垂直于较高曲率的局部区域中的迂回弯曲形式的该纵向方向以便更好地吸收这样的 局部应力载荷是有利的。 根据本发明的另一实施例，发射极部分具有矩形轮廓并且包括线性狭缝以便以 迂回弯曲形式限定传导通路。这里，晶粒的取向基本上平行于狭缝的纵向方向。例如，狭 缝可以平行于矩形轮廓的较短侧边形成。例如，狭缝可以通过激光作用或线材侵蚀(wire erosion)来制作并且可以狭缝具有几百微米的宽度。 或者，在例如具有圆形几何结构的发射极部分中，在发射极部分的表面中的不同 位置应力载荷的强度和方向可以变化。因此，晶粒的方向必须适应局部应力载荷。这能够 例如通过应用具有合适的局部取向的瞬时温度梯度的高温来对晶体结构进行局部重新取 向而实现。 根据本发明的另一实施例，为发射极部分提供具有细长交错晶粒的均匀晶粒结构 的结晶金属板。换言之，在发射极部分的整个表面，主要的晶粒结构相同。这样的各向异性 结晶金属板能够例如通过碾磨或碾轧金属板从而在碾轧或碾磨的方向上限定特别优先的 方向来制备。在随后的以大于160(TC高温的退火步骤中，金属板的晶粒优选地沿着该特别 优先的方向生长。这里，晶粒生长的程度取决于所选择的工艺温度和时间，其中时间越长并 且温度越高细长晶粒的大小越大。 已经发现晶粒的尺寸和大小似乎在特定值达到饱和。换言之，当各向异性结晶材 料的晶粒生长或重新结晶时，晶粒生长达到晶体生长饱和的特定大小，然后基本不再继续 生长，而与其是否保持在高温下另一段时间无关。根据另一实施例，晶粒的尺寸优选为在这 样的晶体生长基本饱和之后的尺寸。已经发现具有这样的最大可实现大小的晶粒尤其稳 定，并且在热电子发射极正常工作期间具有的高温下基本不趋向于发生重新取向或重新结 晶。在晶体生长基本饱和以后晶粒的典型尺寸为长达100iim、宽达500iim。
根据本发明的另一方面，提出一种制备用于热电子发射的电子发射极的方法，该方法包括确定电子发射极的设计；确定在电子发射极正常工作期间主应力载荷的方向；利用具有细长交错晶粒的晶体结构的各向异性多晶材料制备电子发射极，其中所述细长交错晶粒的尺寸在纵向方向比在横向方向大。这里，晶粒的纵向方向的取向基本上垂直于主应力载荷的方向。 确定电子发射极的步骤可以包括确定发射极的轮廓，该轮廓例如为矩形轮廓或圆形轮廓；确定在电子发射表面中可能有的狭缝的几何结构和尺寸，等等。知道电子发射极的设计和电子发射极打算(例如在旋转CT机架中)如何工作的实际应用条件，能够例如通过实验、模拟或经验确定在这样的正常工作条件下预期的主应力载荷。知道这些主应力载荷，能够确定晶粒的有利取向以便减少用于电子发射极的多晶材料的蠕变。
根据该方法的具体实施例，提供具有细长交错晶粒的晶体结构的各向异性多晶材料板，该板具有矩形轮廓。在该板中制备线性狭缝，使得狭缝的取向基本上平行于晶粒的纵向方向。如在上面进一步概述的，诸如多晶金属的多晶材料板可以很容易使晶粒在其整个表面上具有同种取向来制备。通过例如利用激光作用或线材侵蚀在这样的板材上形成简单的线性狭缝，能够容易的形成矩形的热电子发射极实现如上所述的晶粒取向的优点。
根据本发明的第三方面，提出一种包括如上所述的热电子发射极的X射线源。由于热电子发射极的诸如增加的机械稳定性和由此增加的寿命的有利特性，X射线源可以在可靠性和寿命方面具有优势。除了本发明的电子发射极外，X射线源可以包括阳极以在用作阴极的电子发射极和用于产生X射线束的靶之间建立电场。此外，可以提供电子光学器件。 应当注意的是，本发明的实施例是参照不同主题进行描述的。具体而言，一些实施例是参照电子发射极描述的，而其他实施例是参照X射线源或用于制备电子发射极的方法来描述的。然而，本领域技术人员将能够组织本说明书的全部内容，除非另外说明，进而认为本申请公开了将属于一种类型主题的特征进行任意的组合以及与不同主题相关的特征之间进行任意的组合。 从下文中将要描述的实施例的例子中能够导出本发明的上面限定的方面和其他方面、特性和优点，并将参考这些实施例的例子对其进行解释。下文中，将参照实施例的例子详细描述本发明，但本发明不限于这些实施例的例子。


图la、lb示出了现有技术的热电子发射极； 图2示出了在图la中所示的电子发射极的示意性顶视图； 图3a、3b示出了在施加和未施加外力F情况下图2中所指示的区块A的放大视图； 图4a示出了各向异性多晶材料的细长交错晶粒的晶粒结构； 图4b示出了各向同性多晶材料的晶体结构； 图5示出了根据本发明实施例的电子发射极在图3b中所示区块B的放大视图； 图6示意性示出了根据本发明实施例的X射线管。 图中的图示仅是示意性的。
具体实施例方式
在图2中，示出了电子发射极1的顶视图。该电子发射极的宏观几何结构与常规电子发射极的宏观几何结构基本没有差别。发射极部分2包括发射表面3和与发射表面3毗连的边界表面5。可以在连接点7处接附端子(在图2中未示出)，以便向发射部分2施加外部电压。由此，可以在电子发射表面3中引入加热电流以便将该电子发射表面加热至进行热电子发射的温度。在发射表面3中以及边界表面5的部分中，可以设置狭缝9，以便以迂回弯曲方式限定传导通路11。 在电子发射极的正常工作期间，例如在CT机架的X射线管中的电子发射极的正常工作期间，可以向电子发射极1施加外力F。 图3示出了迂回弯曲状的传导通路11的在图2中所指示的区块A的放大视图。在图3a中，示出了未施加外力(F = 0)的情况。在图3b中，示出了施加外力(F>0)的情况。迂回弯曲状的传导通路包括高曲率的局部区域13和与其毗连的低或无曲率区域15。正如从图3b中能够推导出的，外力F导致较高曲率区域13中的主应力载荷L，其中，应力载荷基本上在该局部区域中沿着迂回弯曲形式的纵向方向进行取向。 在图4a中，示出了具有细长交错晶粒17的各向异性晶粒结构。晶粒在纵向方向上的平均尺寸1基本上大于其在横向方向的宽度w。为了进行比较，在图4b中示出了各向同性多晶结构，其中，晶粒没有任何特别优先的延展方向。 图5示出了热电子发射极在主应力载荷L发生的区域13处的放大视图。可以看到，细长晶粒17的纵向方向G基本上垂直于主应力载荷L的方向。 图6示出了具有旋转阳极516的X射线管530，其中由异步电机经可旋转轴56驱动旋转阳极516。 X射线管530包括在封套517的真空515中的阴极518和旋转阳极516。电子从阴极518加速至旋转阳极516并且与作为金属靶的旋转阳极516相碰撞。通过与金属靶相碰撞，从旋转阳极516发射出X射线光子519。封套517被封闭在外壳511中，外壳内填充有冷却X射线管530的液体514并且包括异步电机的定子57。 在对本发明的上述实施例进行非限制性的概括时，可以这样表述为了生产可在大约240(TC温度和超过30g旋转载荷或加速度下操作的电子发射极，建议使用具有长交错晶粒结构的金属板。在金属板的切割过程中，该板的晶粒结构应当具有如在图5中所描绘的取向。这样做的原因如下根据在电子发射极实际工作期间旋转轴的方向，施加在发射极上的反作用力F可以引导至Y方向或X方向上。然而，在发射极的高温区域处的最大抗拉应力通常被引导沿着X轴线而与旋转轴线的方向无关。如果金属板的结构按照图5中所示的那样进行取向，即晶粒结构的纵轴基本上垂直于抗拉应力的方向，则可以防止由可能最终导致短路的晶粒间滑动引起的基本塑性形变。这将基本上降低电子发射极的材料的高温蠕变并且增加发射极的寿命。 应当注意的是，术语"包括"并不排除其他元件或步骤，并且术语"一个"并不排除多个。同样，在不同实施例中描述的各元件也可以进行组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应理解为对权利要求范围的限制。
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权利要求
一种热电子发射极(1)，包括发射极部分(2)，其包括基本上平的电子发射表面(3)和与所述电子发射表面毗连的边界表面(5)；加热布置，其用于将所述发射表面加热至进行热电子发射的温度；其中，所述发射极部分包括具有细长交错晶粒(17)的晶体结构的各向异性多晶材料，所述细长交错晶粒(17)的尺寸在纵向方向(G)比在横向方向大；其中，所述纵向方向的取向基本上垂直于所述发射器正常工作期间发生主应力载荷的方向(L)。
2. 根据权利要求1所述的热电子发射极，其中，在所述电子发射表面以及所述边界表 面这两个区域中，所述晶粒的所述纵向方向的取向基本上垂直于所述发射极正常工作期间 发生主应力载荷的方向。
3. 根据权利要求1或2所述的热电子发射极，其中，在所述电子发射表面(3)上提供狭 缝(9)，以便以迂回弯曲形式限定传导通路(ll)，其中，所述迂回弯曲形式包括高曲率的局 部区域(13)以及与其毗连的低曲率的局域区域(15)，并且其中，所述晶粒的所述纵向方向 的取向垂直于在所述高曲率的局部区域中所述迂回弯曲形式的纵向方向。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的热电子发射极，其中，所述发射极部分具有矩形 轮廓和线性狭缝以便以迂回弯曲形式限定传导通路，并且其中，所述晶粒的所述纵向方向 的取向平行于所述狭缝的纵向方向。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的热电子发射极，其中，利用具有细长交错晶粒的 均匀晶粒结构的结晶金属板提供所述发射极部分。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的热电子发射极，其中，所述晶粒的尺寸是在晶体 生长基本饱和之后的尺寸。
7. —种制备用于热电子发射的电子发射极的方法，所述方法包括 确定所述电子发射极的设计；确定在所述电子发射极正常工作期间发生主应力载荷的方向；利用具有细长交错晶粒的晶体结构的各向异性多晶材料制备所述电子发射极，其中所 述细长交错晶粒的尺度在纵向方向比在横向方向大；其中，所述晶粒的所述纵向方向的取向基本上垂直于所述主应力载荷的方向。
8. 根据权利要求7所述的方法，包括提供具有细长交错晶粒的晶体结构的各向异性多晶材料板，所述板具有矩形轮廓； 在所述板中制备线性狭缝使得所述狭缝的取向基本上平行于所述细长晶粒的所述纵 向方向。
9. 一种包括根据前述权利要求中任一项所述的热电子发射极的X射线源。
全文摘要
提出了一种热电子发射极(1)，其包括发射极部分(2)，该发射极部分(2)具有基本上平的电子发射表面(3)和与其毗连的边界表面(5)。为了更好的吸收由外力引起的主应力载荷(L)，为发射极部分提供具有细长交错晶粒的晶粒结构的各向异性多晶材料，该细长交错晶粒的纵向方向(G)的取向基本上垂直于在正常工作情况下发生的主应力载荷的方向(L)。
文档编号H01J1/13GK101779265SQ200880025575
公开日2010年7月14日 申请日期2008年7月18日 优先权日2007年7月24日
发明者B·希尔克, S·胡特曼, Z·泰尔莱茨卡 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司