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Feldemitterkathode mit brueckenartig angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000187685D
Published in the IP.com Journal: Volume 9 Issue 9B (2009-09-25)
Included in the Prior Art Database: 2009-Sep-25
Document File: 6 page(s) / 917K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Fuer die Herstellung neuartiger Roentgenquellen koennen sogenannte Carbon Nano Tubes (CNT) als Elektronenfeldemitter verwendet werden. Diese weisen ein hohes Aspektverhaeltnis auf, was beim Anlegen einer hohen Spannung unter Ultrahochvakuum eine Elektronen-Feldemission ermoeglicht. Nach der Fowler-Nordheim Relation haengt die Elektronen Emission von dem, an dieser Stelle herrschenden, elektrischen Feld ab. Zudem koennen durch die kleinen Kruemmungsradien der CNT Spitzen hohe Emissionsstroeme erreicht werden. Um eine entsprechende Emittereinheit herzustellen, werden die Feldemitter, beispielsweise CNTs, auf ein Substrat aufgebracht. Dies geschieht entweder elektrolytisch oder die CNTs werden direkt auf einem elektrisch leitfaehigen Substrat aufgewachsen. Diese beschichteten Substrate werden elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet. Oberhalb der Emitter befindet sich eine Extraktionseinheit, die beispielsweise aus einem Wolframgitter bestehen kann. Durch Anlegen einer positiven Spannung von zirka 1kV an das Extraktionsgitter werden Elektronen aus dem Feldemitter extrahiert. In einigem Abstand zu dem Gitter sitzt die positive Anode mit positivem Hochspannungspotential von zirka 100kV. Die durch das Gitter ausgeloesten Elektronen passieren dieses zum Grossteil und treffen auf die Anode, wo Roentgenstrahlung erzeugt wird. Durch elektrisches Durchschalten der Emitterelemente kann die Position der Roentgenstrahlerzeugung oertlich veraendert werden, ohne dass sich die Roentgenquelle mechanisch bewegt. Dies ist speziell fuer Computertomographieanlagen die keinerlei mechanische Bewegung mehr aufweisen interessant.

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Feldemitterkathode mit brueckenartig angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen

Idee: Dr. Jens Fuerst, DE-Erlangen; Dr. Arvid Hunze, DE-Erlangen

Fuer die Herstellung neuartiger Roentgenquellen koennen sogenannte Carbon Nano Tubes (CNT) als Elektronenfeldemitter verwendet werden. Diese weisen ein hohes Aspektverhaeltnis auf, was beim Anlegen einer hohen Spannung unter Ultrahochvakuum eine Elektronen-Feldemission ermoeglicht. Nach der Fowler-Nordheim Relation haengt die Elektronen Emission von dem, an dieser Stelle herrschenden, elektrischen Feld ab. Zudem koennen durch die kleinen Kruemmungsradien der CNT Spitzen hohe Emissionsstroeme erreicht werden. Um eine entsprechende Emittereinheit herzustellen, werden die Feldemitter, beispielsweise CNTs, auf ein Substrat aufgebracht. Dies geschieht entweder elektrolytisch oder die CNTs werden direkt auf einem elektrisch leitfaehigen Substrat aufgewachsen. Diese beschichteten Substrate werden elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet. Oberhalb der Emitter befindet sich eine Extraktionseinheit, die beispielsweise aus einem Wolframgitter bestehen kann. Durch Anlegen einer positiven Spannung von zirka 1kV an das Extraktionsgitter werden Elektronen aus dem Feldemitter extrahiert. In einigem Abstand zu dem Gitter sitzt die positive Anode mit positivem Hochspannungspotential von zirka 100kV. Die durch das Gitter ausgeloesten Elektronen passieren dieses zum Grossteil und treffen auf die Anode, wo Roentgenstrahlung erzeugt wird. Durch elektrisches Durchschalten der Emitterelemente kann die Position der Roentgenstrahlerzeugung oertlich veraendert werden, ohne dass sich die Roentgenquelle mechanisch bewegt. Dies ist speziell fuer Computertomographieanlagen die keinerlei mechanische Bewegung mehr aufweisen interessant.

Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau einer Feldemitterkathode gemaess dem derzeitigen Stand der Technik. Auf einem Substrat werden CNTs aufgebracht. Eine Extraktionselektrode ist elektrisch isolierend oberhalb der CNT Schicht angebracht um die Feldueberhoehung an den CNT Spitzen zu erzeugen. Abbildung 2 zeigt die Oberflaeche eines typischen Feldemitters. Die CNTs werden entweder direkt auf dem Substrat senkrecht aufgewachsen oder z.B. elektrolytisch abgeschieden. Nach dem elektrolytischen Abscheiden muessen die CNTs dann aufgestellt werden um eine Oberflaeche, wie sie in Abbildung 2 dargestellt ist, zu erhalten. Typischerweise sollen hierbei mehr als 50 % der CNTs senkrecht zum Substrat positioniert sein.

Diese Verfahren haben folgende Nachteile:

1. Entlang eines CNTs kann eine Defektstelle, wie z.B. ein Katalysatoratom,, sitzen. Bei elektrischer Beanspruchung kommt es dort zu Ueberhitzungen, die das CNT zerteilen kann. Diese freien CNT Stuecke sind sehr unvorteilhaft, da diese das Verhalten der Roentgenroehre negativ beeinflussen koennen. Der Stromfluss erfolgt zudem...