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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Röntgenaufnahmen.
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Dabei tritt die paradoxe Erscheinung auf, dass durch Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung eine Aufnahme, die eine gewisse Anzahl mA. Sek. erfordert, in kürzerer Zeit und mit einer schwächeren
Röhre hergestellt werden kann, als wenn mit Dauerbelastung gearbeitet wird.
Die zweckmässigste Belastungsweise nach der Erfindung erzielt man, wenn die Belastung nach einer solchen Funktion abnimmt, dass kein Absinken der Durchschnittstemperatur an dem Brennfleck auf der Antikathode erfolgt und die Temperatur zwar möglichst schnell, jedoch nicht über den höchstzulässigen Wert steigt. Bei der Bezeichnung Durchsehnittstemperatur"wird natürlich von Temperaturschwankungen abgesehen, die von Spannungsschwankungen hervorgerufen werden.
Es sei bemerkt, dass das Verfahren nach der Erfindung und die Röntgeneinrichtung zur Herstellung von kurzdauernden Aufnahmen nach diesem Verfahren nur auf solche Röhren anwendbar sind, deren
Sättigungsspannung höher ist oder doch höher gemacht werden kann, als die, mit der die Röhre unter gewöhnlichen Bedingungen betrieben wird, da es sonst nicht möglich wäre, eine ; Belastungserhöhung durchzuführen, ohne auch die Spannung zu erhöhen.
Geräte, bei denen die Belastung während der Aufnahme abnimmt, sind in der Form von sogenannten
Kondensatorgeräten bekannt. Bei diesen wird die Energie für die Röntgenröhre von einem zuvor bis auf eine bestimmte Spannung geladenen Kondensator geliefert. Hiebei wird die Wirkung, die mit dem Verfahren nach der Erfindung erreicht wird, noch nicht erreicht, da bei solchen Geräten die Spannung der Röhre während der Aufnahme nicht gleichbleibend ist, sondern sich mit dem Strom ändert. Eine starke Veränderung der Spannung während der Aufnahme ist aber wegen des ungünstigen Einflusses auf die
Qualität des Bildes unerwünscht.
Eine Röntgeneinrichtung nach der Erfindung kann eine mit der Einschaltvorrichtung für die Elektrodenspannung der Röhre verbundene Vorrichtung besitzen, mittels deren im Zeitpunkt des Einschaltens der Spannung oder in der Nähe dieses Zeitpunktes ein Absinken der Glühkathodentemperatur herbeigeführt wird. Beim Beginn der Aufnahme kann dann die Glühkathode so stark erhitzt sein, dass die Emission bedeutend höher ist, als die 0Röhre auf die Dauer vertragen kann. Diese Temperatur nimmt allmählich ab, so dass eine unzulässige Steigerung der Anodentemperatur verhütet wird. Erwünscht ist jedoch, dass das Absinken der Glühkathodentemperatur nicht so schnell erfolgt, dass die Anodentemperatur während der Aufnahme zurückgeht.
Die in Frage kommende Ausführung kann in der Weise verwirklicht werden, dass in den Glühstromkreis ein Widerstand eingefügt wird, der durch einen Schalter überbrückt ist, und dass dieser mit der Einschaltvorrichtung für die Elektrodenspannung gekuppelt wird, so dass dieser Schalter gleichzeitig mit oder, im Verhältnis zu der Dauer der Aufnahme, kurz vor oder nach dem Einschalten der Spannung geöffnet wird. Die Glühkathode wird wegen ihrer Wärmekapazität nicht gleich die der niedrigeren Glühstromintensität entsprechende Temperatur annehmen, sondern sich allmählich abkühlen, so dass auch die Elektronenemission allmählich verringert wird.
Es ist erwünscht, dass die während der Aufnahme wirkende Spannung regelbar ist. Mit Rücksicht darauf ist es empfehlenswert, dass auch die Intensität des Glühstroms oder doch das Absinken derselben nach dem Einschalten der Elektrodenspannung geregelt werden kann. Meist wird bei Röntgeneinrich- tungen zum Regeln des Glühstroms ein veränderlicher Widerstand verwendet. Bei Geräten, bei denen die Erfindung in der vorher beschriebenen Weise verwirklicht ist, ist es zweckmässig, zu diesem Zweck den überbrückten Widerstand regelbar zu machen.
In diesem Fall ist die Intensität des Glühstroms, bevor die Aufnahme beginnt, unabhängig von dem gewählten Widerstand, aber das Absinken der Glühkathode- temperatur während der Aufnahme erfolgt um so schneller und bis zu einem um so niedrigeren Endwert, je mehr Widerstand eingeschaltet ist.
Die Regelvorrichtung für den überbrückten Widerstand wird mit der Regelvorrichtung für die Spannung gekoppelt, damit einer bestimmten Spannung stets ein solches Mass des Belastungsabsinkens entspricht, so dass zwar eine hohe Nutzwirkung erzielt wird, aber die Röntgenröhre nicht überlastet werden kann.
Der Umstand, dass der Glühstrom nicht beliebig regelbar ist, beschränkt die Möglichkeit der Anwendung der Röntgeneinrichtung. Es bewirkt z. B., dass man keine Aufnahmen mit geringerer Energie herstellen kann, als den durch den Regler bestimmten Kombinationen von Spannung und veränderlicher Stromstärke entspricht.
Dieser Übelstand kann durch eine zweite Regelvorrichtung behoben werden, die nach Belieben anstatt der ersteren eingeschaltet werden kann. Dies ermöglicht, die Stromstärke der Röntgenröhre, ohne dass die Gefahr einer zu starken Belastung besteht, zwischen bestimmten Grenzen auf einen beliebigen Betrag einzustellen, der sich während der Aufnahme nicht verändert.
Für die Umschaltung der mit der Spannung gekoppelten Regelvorrichtung auf die andere Regelvorrichtung kann der Handhebel der letzteren beispielsweise derart wirksam sein, dass die Umschaltung durch Einstellen des Handhebels in die Nullstellung erfolgt.
Man kann zwecks Bewirkung eines allmählichen Absinkens der Stromstärke während der Aufnahme auch andere Mittel als nur die Wärmekapazität der Glühkathode verwenden. Man kann z. B. die Glühkathode mit Gleichstrom speisen und parallel zu dieser Kathode einen Kondensator schalten,
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Wenn in diesem Fall gleichzeitig mit dem Einschalten der Spannung an den Elektroden der Röhre der Heizstrom der Glühkathode unterbrochen oder geschwächt wird, findet eine allmähliche Abnahme der
Glühkathodentemperatur während der Aufnahme statt.
Gegenüber der ersten Ausführungsmöglichkeit hat jene mit dem Kondensator den Vorteil, dass man hiebei die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur abnimmt, durch die Grösse des Kondensators regeln kann, während im ersteren Fall, wo das Temperaturabsinken nur von der Wärmekapazität der Glühkathode abhängt, eine solche Regelung nicht so gut möglich ist.
Man kann die Veränderung in der Belastung auch durch Beeinflussung des Potentials einer Hilfselektrode der Röntgenröhre herbeiführen, da man einer solchen Hilfselektrode ein positives Potential gegenüber der zuvor eingeschalteten Glühkathode geben und die Abnahme dieses Potentials während der Aufnahme bewirken kann. Infolgedessen wird der Entladungsstrom der Röntgenröhre anfangs stärker sein, als wenn die Hilfselektrode weniger positiv ist.
Als Spannungsquelle für das Potential der Hilfselektrode kann ein geladener Kondensator dienen.
Das Röntgengerät kann in diesem Fall wie folgt eingerichtet sein. Ein Kondensator ist mit einem Polwechsler verbunden, der zwei Stellungen einnehmen kann. In einer Stellung wird der Kondensator mit einer Wechselstromquelle in Reihe zwischen die Hilfselektrode und die Glühkathode gelegt. Beim Übergang in die zweite Stellung werden die Pole des Kondensators vertauscht, und die Wechselstromquelle wird aus dem Kondensatorstromkreis herausgenommen. Ferner ist ein Schalter, mittels dessen die Röhrenspannung eingeschaltet wird, mit diesem Polwechsler gekuppelt, so dass er gleichzeitig mit der Überführung des Polwechslers in die zweite Stellung eingeschaltet wird. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung soll weiter unten an Hand der Zeichnung erläutert werden.
Es kann vorkommen, dass die Energiequelle der Röntgenröhre nicht fähig ist, ohne besondere Massnahmen eine genügend gleichbleibende Spannung zu liefern, weil der Spannungsverlust in dem Röhrenstromkreis zu gross ist. In diesem Fall ist es erwünscht, das Gerät mit einer Vorrichtung zu versehen, die bewirkt, dass in dem Entladungsstromkreis der Röntgenröhre zu Beginn der Belastung eine höhere elektromotorische Kraft wirkt, als am Ende derselben.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur und der Belastung. Fig. 2 zeigt Kurven, an Hand deren ein Vergleich des neuen Verfahrens mit dem bisher ausgeübten möglich ist. Fig. 3 und 5 sind Schaltbilder von Geräten, bei denen der Heizstrom der Glühkathode beim Einschalten der Röhrenspannung erniedrigt wird. Fig. 6 ist eine Einzeldarstellung, die sich auf das Gerät in Fig. 5 bezieht.
Fig. 4 ist ein Schaltbild eines Gerätes, bei dem das Potential einer Hilfselektrode die Belastung regelt.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Kurve, die den Verlauf der Temperatur T an der Oberfläche der Anode einer Röntgenröhre in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt, wie dieser sich bei gleichbleibender Belastung in der Praxis zeigt. Die höchstzulässige Temperatur von 3000 , bei der eine spezifische Belastung von annähernd 200 Watt pro Quadratmillimeter zugeführt werden kann, wird erst nach einer Sekunde völlig erreicht. Diese Temperatur hat sich jeweils als annähernd proportional mit der gleichbleibenden spezifischen Belastung erwiesen. Es ergibt sich nun, dass nach 0-03 Sekunden die Temperatur nur die Hälfte des Höchstwertes beträgt. Wenn also die Belastung zweimal grösser gewesen wäre, würde in diesem Zeitpunkt die Temperatur schon 30000 betragen haben.
Eine solche Belastung ist jedoch für die Dauer unzulässig, weil sie die Temperatur bis über 30000 steigern würde.
Die Erfindung nutzt nun die Erkenntnis aus, dass die doppelte Belastung der Röhre zugeführt werden kann, sofern man dafür Sorge trägt, dass nach 0'03 Sekunden die Temperatur nicht weiter ansteigt. Dies wird nun bei den Verfahren nach der Erfindung dadurch bewerkstelligt, dass eine Abnahme der Belastung bis auf den dauernd zulässigen Wert bewirkt wird.
Nach 0-01 Sekunden beträgt die Temperatur nicht mehr als 10000. In diesem Zeitpunkt hätte somit die Belastung sogar dreimal grösser als die ständige sein dürfen. Wenn der Verlauf der durch die Kurve 2 festgelegten Belastung zu verwirklichen wäre, so würde die Temperatur beim Einschalten sofort 3000 betragen. Dies zu erreichen, muss für unmöglich angesehen werden, wohl aber wird man z. B. eine Temperaturkurve, wie die mit 3 bezeichnete, herstellen können, so dass eine gegebene Anzahl mA. Sek., die der Röhre zugeführt wird, in bedeutend kürzerer Zeit erreicht ist.
In Fig. 2 sind Diagramme dargestellt, mit denen erklärt werden kann, dass mit einer Einrichtung nach der Erfindung eine Aufnahme sogar unter Benutzung einer schwächeren Röhre in kürzerer Zeit hergestellt werden kann, als mit einer Einrichtung, bei der die Belastung während der Aufnahme gleichbleibend ist. Die Kurve 4 bezeichnet den Verlauf der Belastung während der Aufnahme in einer Zeit tl.
Im Zeitpunkt tl ist die Belastung auf den dauernd zulässigen Wert Ai herabgefallen. Die Belastung, mit der angefangen wurde, beträgt No, und der Verlauf von No bis NI ist derart gewählt, dass die Temperatur
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wird durch die senkrecht schraffierte Oberfläche bezeichnet, welche die Kurve 4 zwischen den Werten No und Ai einschliesst.
Die Linie 5 bezeichnet die gleichbleibende Energie N2, die einer stärkeren Röhre dauernd zugeführt
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Fällen die gleiche Anzahl mA. Sek. Man kann also durch Herabsetzung der Belastung bei gleichbleibender Spannung während der Aufnahme mit einer nur für eine Dauerbelastung N1 geeigneten Röntgenröhre eine Aufnahme in einer Zeit t, herstellen, für die man mit einer für eine grössere Belastung N2 geeignete Röhre eine längere Zeit t2 bei gleichbleibender Belastung braucht.
In Fig. 3 bezeichnet 6 das Wechselstromnetz, von dem aus Strom über einen Schalter 7 durch einen Leiter 8, einem Hochspannungstransformator 9 für eine Röntgenröhre 10, einem Zeitschalter 11 und einem den Heizstrom für die Glühkathode 13 der Röhre liefernden Transformator 72 zugeführt wird. Die Anode ist mit 14 bezeichnet. Der Zeitsehalter 11 ist ferner über eine Schaltspule 15 durch den Leiter 19
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kreis des Transformators 9 und in jenem des Transformators 12 wirkt. Wird der Sehalter 7 eingerückt, so fliesst Strom durch den Leiter 8 zum Transformator 12 und von dort über den dann noch in der dargestellten Stellung stehenden Schalter 16 und den Leiter 19 nach dem Netz zurück. Die Glühkathode wird dabei auf eine Temperatur erhitzt, die für einen Dauerbetrieb viel zu hoch ist.
Betätigt man den Zeitschalter 11, so wird die Spule 15 erregt und der Schalter 16 in seine oberste Stellung gebracht. Hiedurch wird ein Widerstand 17, der bis dahin durch den Schalter 16 kurzgeschlossen war, in den Primärstromkreis des Transformators 12 eingeschaltet, so dass der die Glühkathode durchfliessende Strom abnimmt und die Glühkathodentemperatur von diesem Augenblick an sinkt. Der Widerstand 17 kann so gross gewählt sein, wie dies für eine Dauerbelastung der Röhre erforderlich ist.
Gleichzeitig wird der Primärstromkreis des Transformators 9 durch den Schalter 16 geschlossen und die Röhre wird somit belastet, u. zw. mit einem sehr starken Strom, da die Glühkathode sehr stark erhitzt ist. Nachdem die Glühkathode sich etwas abgekühlt hat und die Emission somit verringert ist, wird der Spannungsverlust im Transformator 9 kleiner geworden sein, was eine Steigerung der Spannung zwischen den Elektroden 13 und. M bedeuten würde. Um jedoch einer zu grossen Spannungsveränderung während der Aufnahme vorzubeugen, geht der Schalter 16 während seiner Bewegung an einer oder mehreren Zwisehenstellungen vorbei, wobei solche Verbindungen hergestellt werden, dass gleichzeitig mit der Verringerung des Spannungsverlustes eine Verringerung der elektromotorischen Kraft in den Entladungsstromkreis der Röntgenröhre entsteht.
Zu diesem Zweck können die Zwischenkontakte mit Anzapfungen des Transformators verbunden sein oder es kann auch, wie dies in der Figur dargestellt ist, ein Widerstand 18 in den Primärstromkreis des Transformators 9 eingeschaltet werden. Gegebenenfalls können mehrere Widerstände von zunehmender Grösse hintereinander in den Stromkreis eingeschaltet werden. Die Bewegungsgesehwindigkeit des Sehalters 16 muss natürlich mit dem Bedarf an Spannungsverringerung in der Primärwicklung des Transformators 9 in Übereinstimmung gebracht werden. Wenn der Transformator 9 wenig Spannungsverlust hat, kann die Vorrichtung zum Verändern der elektromotorischen Kraft während der Belastungsperiode wegfallen. Eine starke Spannungsveränderung während der Aufnahme ist jedoch für die Qualität des Bildes sehr nachteilig.
In Fig. 5 bezeichnet 51 die Röntgenröhre. Die Anode 52 und die Glühkathode 53 sind mit der Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators 54 verbunden. Die Primärspannung dieses Transformators kann auf drei verschiedene Werte gebracht werden. Zu diesem Zweck ist ein Autotransformator 55 vorgesehen, der an ein Wechselstromnetz 56 angeschlossen wird. Der Transformator 54 kann mit dem Transformator 55 durch einen zweipoligen, elektrisch betätigten Hauptsehalter 57 verbunden werden.
Zur Regelung der Primärspannung des Transformators 54 dient eine mit beweglichen Kontaktsegmenten 48 und 59 und mit ortsfesten Kontaktfedern 60 und 61 ! versehene Sehaltwalze. Mittels der Walze im dargestellten Beispiel können drei Spannungen gewählt werden. Bei der Drehung aus der Ruhestellung kommt das Segment 58 mit dem Kontaktfinger 60 und eines der Segmente 59 mit einer der Kontaktfedern 61 in Berührung. Letztere sind mit je einer Anzapfung des Transformators 55 verbunden, so dass der an den Kontaktfinger 60 angeschlossene. Leiter 62 durch die Walze mit einer dieser drei Anzapfungen in Verbindung gebracht werden kann.
Wird, nachdem die Walze in eine der drei Stellungen I, 11 und 111 gebracht ist, der Schalter 57 mittels des Zeitsehalters 63 geschlossen, so wird durch die Leiter 62,64 und 65,66 der Primärstrom dem Transformator 54 zugeführt.
Mit der Walze für die Spannungsregelung ist eine Walze für die Einstellung des Stromes verbunden, den die Kathode der Röntgenröhre abgibt. Diese Walze, die z. B. auf der gleichen Welle wie die Schaltwalze für die Spannungsregelung angebracht sein kann, besitzt bewegliche Segmente 67 und 68 und ortsfeste Kontaktfedern 69 und 70. Durch Drehen der Walze kann die Kontaktfeder 69 über das Segment 67 und eines der Segmente 68 mit einer der Kontaktfedern 70 in Verbindung gebracht und dadurch ein Teil des Widerstandes 77 kurzgeschlossen werden. Dieser Widerstand liegt in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand 72 in dem Primärstromkreis des Glühstromtransformators 73, der den Strom zum Heizen der Glühkathode 53 liefert.
In der ersten Stellung der Doppelschaltwalze wird die Anzapfung des Transformators 55 eingeschaltet, welche die geringste Spannung liefert. Dagegen wird der grösstmögliche Teil des Widerstandes 77 kurzgeschlossen und somit ein möglichst grosser Heizstrom durch die Kathode gefÜhrt. 0Dreht man die
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Walze weiter, so wird eine höhere Elektrodenspannung, aber ein kleinerer Heizstrom gewählt. Infolgedessen kann die Nutzwirkung der Röntgenröhre in jeder Stellung des Reglers auf den grösstmöglichen Wert erhöht werden.
Mit dem zweipoligen Schalter 5'1 ist ein Hilfssehalter 74 verbunden, der den Widerstand 71 über-
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des Transformators 54 eingeschaltet. Dieser wird so lange eingeschaltet gehalten, wie der Zeitschalter den die Spule 75 durchfliessenden Strom geschlossen hält.
Der Hauptsehalter kann derart eingerichtet sein, dass die Zeit zwischen dem Aufheben der Überbrückung des Widerstandes 71 und dem Einschalten des primären Stromverlaufes regelbar ist. Um dies in der Zeichnung schematisch anzugeben, ist ein Bremszylinder 76 dargestellt. Es kann erwünscht sein, dass ein wenn auch verhältnismässig kurzer Zeitzwischenraum besteht, weil in diesem Falle die Gltih- kathodentemperatur, mit welcher die Aufnahme angefangen wird, entsprechend der gewählten Spannung etwas verschieden ist. Trotzdem kann es unter gewissen Umständen besser sein, dass die Elektrodenspannung zunächst eingeschaltet und dann die Überbrückung aufgehoben wird, wenn man nämlich nicht imstande ist, die Glühkathode so stark zu erhitzen, dass sie während der ganzen Aufnahmezeit eine hinreichende Temperatur behält.
Im Falle des Vorhandenseins des Regelwiderstandes 71 allein würde keine Vorrichtung zur Verfügung stehen, mittels deren man den Strom für die Aufnahme wahlweise regeln kann. Zur Behebung
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Schaltet man den zweipoligen Schalter 21 ein, so wird die Glühkathode der Röntgenröhre auf die erforderliche Temperatur gebracht. Ferner kann die Wicklung 26 über die Kontakte 36 und 39 durch den Kondensator 41 und dann über die Kontakte 40 und 3'1 die Hilfselektrode 30 mit Strom versorgen. Diese wird wie eine Anode eines Gleichrichters mit der Glühkathode 2'1 wirken, und der Strom wird durch diesen Gleichrichter nach der Wicklung 26 fliessen. Infolgedessen lädt sich der Kondensator 41 auf eine Spannung, die nach einigen Perioden des Wechselstromes, deren Anzahl von dem Widerstand in dem Ladestromkreis abhängt, annähernd den Höchstwert der in der Wicklung 26 hervorgerufenen Spannung erreicht.
Wünscht man nun die Aufnahme durchzuführen, so wird der Polwechsler umgelegt, so dass Strom von dem Leiter 23 über die Kontakte 32 und 38 nach dem Transformator 31 fliessen kann und die Röhre unter Spannung kommt. Die Glühkathode bleibt eingeschaltet, so dass also der Entladungsstrom die Röhre durchfliessen kann. Der Kondensator 41 ist nun über die Kontakte 39 und 33 einerseits und die Kontakte 40 und 34 anderseits mit der Hilfselektrode 30 bzw. mit der Kathode 2'1 verbunden. Der Unterschied gegenüber den vorigen Stellungen ist der, dass die Wicklung 26 ausgeschaltet und dass nun die positiv geladene Elektrode des Kondensators mit der Hilfselektrode verbunden ist.
Die Hilfselektrode hat somit ein positives Potential gegenüber der Glühkathode, und die Bedingungen, welche die von der Röhre aufgenommene Energie beeinflussen (Spannung, Glühkathodentemperatur, gegenseitige Stellung der Elektroden) können leicht derart gewählt werden, dass in diesem Zustand die Belastung gegenüber derjenigen, welche auf die Dauer von der Röhre vertragen wird, um das Mehrfache erhöht wird. Der Kondensator wird sich jedoch über den Raum zwischen der Hilfselektrode 30 und der Glühkathode 27 entladen und deshalb wird das positive Potential der Hilfselektrode während der Belastungszeit sinken, so dass die Belastung der Röntgenröhre abnimmt und verhütet wird, dass eine Steigerung der Anodentemperatur über den zulässigen Höchstwert eintritt.
Wenn man den Kondensator 41 oder den Widerstand 42 oder beide veränderlich macht, kann man die Geschwindigkeit, mit der die Belastung abnimmt, regeln. Gewünschtenfalls kann auch die Grösse der Belastung, mit der angefangen wird, regelbar sein ; zu diesem Zweck braucht man nur den Transformator 26 regelbar auszubilden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Röntgenaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenröhre eine Energie zugeführt wird, welche die dauernd zulässige um ein Zwei-oder Mehrfaches übersteigt und die während der Aufnahme, bei mindestens nahezu gleichbleibend gehaltener Spannung, bis zu oder unterhalb der zulässigen Dauerbelastung allmählich vermindert wird.
2. Einrichtung zur Herstellung kurz dauernder Röntgenaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenröhre von der sie speisenden Energiequelle bei nahezu gleichbleibender Spannung eine während der Belastung abnehmende Energie zugeführt wird.