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TECHNISCHES GEBIET
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Gegenstand der Erfindung sind allgemein bildgebende Computertomografiesysteme (CT) und insbesondere ein System zur Konstanthaltung der Lagertemperaturen einer Anode sowie mit minimaler Fokuspunktverlagerung in Folge thermischer Ausdehnung der zur Anode gehörigen Komponenten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Typischerweise gehört zu einem bildgebenden System eine Gantry, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten rotiert, um ein 360°-Bild zu erzeugen. Die Gantry enthält eine Röntgenstrahlungsquelle, wie beispielsweise eine Röntgenröhre, die in einem unter Vakuum stehenden Abstand zwischen einer Kathode und einer Anode Röntgenstrahlen erzeugt. Die Anode weist ein Target auf, das mit einer Welle verbunden ist, die sich in einem Paar von Anodenlagern trägt.
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Die
US 5,303,280 A offenbart beispielsweise eine Welle, die in einem Lager drehbar gelagert ist, wobei das Lagergehäuse hochreines Kupfer enthält.
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Die
US 6,693,990 B1 beschreibt eine Lageranordnung mit Bestandteilen, die eine vergrößerte Oberfläche aufweisen, wobei einige Bestandteile der Lageranordnung eine Beschichtung mit einer hohen Emissivität aufweisen, um in die Lageranordnung eingetragene Wärme wieder abzustrahlen.
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Die Anodenantriebseinheit der
US 6,480,571 B1 weist Teile mit aufeinander abgestimmten unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, um thermische Spannungen zu reduzieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der
US 6,295,338 B1 zeigt einen Hitzeschild, der absorbierte Wärme in einen Mantelabschnitt leitet, der einen Teil der Lageranordnung bildet.
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Die von dem Target emittierten Röntgenstrahlen werden in Form eines fächerförmigen Strahls ausgesandt der so kollimatiert wird, dass er in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, die generell als die „Bildgebungsebene” bezeichnet wird. Der Röntgenstrahl läuft durch das der Bildgebung unterworfene Objekt, wie beispielsweise einen Patienten. Nachdem der Strahl durch das Objekt abgeschwächt worden ist, trifft er auf einem Array aus Strahlungsdetektoren auf. Jedes Detektorelement des Arrays erzeugt ein gesondertes elektrisches Signal, das eine Messung der Strahlschwächung an dem Ort des Detektors darstellt. Die Schwächungsmessungen aller Detektoren werden separat akquiriert, um ein Transmissionsprofil zur Erzeugung eines Bildes zu erzeugen.
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Es wird gewünscht, die Gantry-Drehgeschwindigkeit und die CT-Röhrenspitzenbetriebsleistung zu erhöhen, so dass kürzere Bildgebungszeiten und eine verbesserte Bildqualität erhalten werden. Um dies zu erreichen, müssen verschiedene Anforderungen erfüllt werden, wie beispielsweise der Betrieb der Anodenlager innerhalb eines großen Leistungsbereichs von beispielsweise 0 bis 8 kW. Jedoch weist die in den Lagern üblicherweise verwendete Trockenschmierung einen optimalen Betriebstemperaturbereich von ungefähr 400°C bis 550°C auf. Wenn die Lager außerhalb dieses Temperaturbereichs betrieben werden, können große Fluktuationen des Leistungsspektrums auftreten.
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Außerdem wird gefordert, dass während des Betriebs des CT-Systems die Fokuspunktverlagerung in der Axialrichtung der Anode minimiert wird. Eine thermische Ausdehnung der Welle und anderer der Anode zugeordneter Komponenten kann jedoch eine Änderung der Position des Targets und somit eine Verlagerung des Orts des Fokuspunkts verursachen. Diese Fokuspunktverlagerung kann die Leistungsfähigkeit eines CT-Systems negativ beeinflussen.
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Gegenwärtige Anodendesigns sind nicht in der Lage, die oben beschriebenen Anforderungen zu erfüllen. Deshalb wird nach einem verbesserten CT-System gesucht, das die Lagerbetriebstemperatur der Anode in einem gewünschten Betriebsbereich hält und die Fokuspunktverlagerung der Anode minimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Anodenanordnung für ein Computertomografiesystem (CT). Die Anodenanordnung weist eine thermisch leitfähige Lagereinhausung auf, die einen Teil des Lagers abdeckt. An dem Lager dreht sich eine Anode, die ein Target aufweist, dem ein Fokuspunkt zugeordnet ist. Die thermisch leitfähige Lagereinhausung ist so gestaltet und die Ausdehnung derselben ist so beschränkt, dass während des Betriebs der Anode eine Verlagerung des Fokuspunkts um mehr als eine vorbestimmte Verlagerung verhindert wird.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erbringen verschiedene Vorteile. Ein solcher Vorzug liegt darin, eine thermisch leitfähige Lagereinhausung vorzusehen, die wärmeleitfähig ist und deren Ausdehnung beschränkt ist, wobei sie Wärmeenergie durchleitet und die Fokuspunktverlagerung minimiert. Die Lagereinhausung hilft dabei, die Betriebstemperatur innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zu halten.
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Ein anderer von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erbrachter Vorzug liegt darin, dass ein Hitzeschild vorgesehen wird, das eine vorbestimmte Höhe hat, um einen Wärmeenergietransfer zwischen einer Anode und einem Lagersatz einer Anodenanordnung sowie eine Temperaturangleichung zwischen den Lagern zu gestatten.
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Ein anderer von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erbrachter Vorzug liegt darin, dass ein Hitzeschild vorgesehen wird, das eine Anzahl von Löchern für die Übertragung von Wärmeenergie zwischen einer Anode und einem Lagersatz der Anodenanordnung aufweist.
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Die oben genannten Vorzüge gestatten es, die Temperaturen und die Fokuspunktverlagerung während des Betriebs eines CT-Systems unter Kontrolle zu bringen. Diese Fähigkeit ermöglicht erhöhte Gantrydrehzahlen und die Erfüllung von Anforderungen, die sich aus der erhöhten CT-Röhrenspitzenleistung ergeben.
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Die vorliegende Erfindung und zugehörigen Vorzüge ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum kompletten Verständnis der Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die detaillierter in den beigefügten Figuren veranschaulicht und nachfolgend als Beispiele zur Ausführung der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines bildgebenden CT-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische diagrammartige Blockansicht des bildgebenden CT-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Querschnittsansicht einer Anodenanordnung mit einer Lagereinhausung und einem Hitzeschild gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine grafische Darstellung der Ausdehnung über der Temperatur für verschiedene Legierungen zur Regulierung der Expansion und
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5 eine grafische Darstellung der Rostneigung über dem Nickelgehalt für geglühte und kalt verformte ausdehnungsregulierte Legierungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In den nachfolgenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Komponenten verwendet. Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die Konstanthaltung der Lagertemperaturen einer Anode sowie im Hinblick auf die Minimierung der Fokuspunktverlagerung in Folge der thermischen Expansion der mit der Anode zusammenhängenden Komponenten gerichtet ist, kann die Erfindung auf verschiedene andere Systeme und Komponenten eines CT- oder Röntgensystems adaptiert und angewendet werden.
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In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für ein aufgebautes Ausführungsbeispiel beschrieben. Diese spezifischen Parameter und Komponenten sind als Beispiele angegeben und nicht dazu angetan, beschränkend verstanden zu werden.
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Es wird nun auf die 1 und 2 Bezug genommen, in denen perspektivische und schematische blockdiagrammartige Ansichten eines erfindungsgemäßen bildgebenden CT-Systems 10 veranschaulicht sind. Das bildgebende System 10 enthält eine Gantry 12, die eine Röntgenstrahlungsquelle oder eine Röntgenröhrenanordnung 14 und ein Detektorarray 16 enthält. Die Röhrenanordnung 14 wirft ein Bündel aus Röntgenstrahlen 18 auf das Detektorarray 16. Die Röhrenanordnung 14 und das Detektorarray 16 drehen um einen betriebsmäßig verschiebbaren Tisch 20. Der Tisch 20 wird entlang einer zwischen der Röntgenröhrenanordnung 14 und dem Detektorarray 16 gelegenen Z-Achse verschoben, um einen Helixscan durchzuführen. Der Strahl 18 wird, nachdem er durch den medizinischen Patienten 22 innerhalb der Patientenbohrung 24 gelaufen ist, von dem Detektorarray 16 aufgenommen. Das Detektorarray 16 erzeugt bei Empfang des Strahls 18 Projektionsdaten, die zur Erzeugung eines CT-Bilds genutzt werden.
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Die Röhrenanordnung 14 und das Detektorarray 16 drehen um eine Mittelachse 26. Der Strahl 18 wird von den vielen Detektorelementen 28 empfangen. Jedes Detektorelement 28 erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität des auftreffenden Röntgenstrahls 18 entspricht. Wenn der Strahl 18 durch den Patienten 22 läuft, wird der Strahl 18 abgeschwächt. Die Drehung der Gantry 12 und der Betrieb der Röhre 14 werden durch einen Steuermechanismus 30 gesteuert. Der Steuermechanismus 30 enthält einen Röntgencontroller 32, der Leistungs- und Timingsignale an die Röhre 14 liefert, sowie einen Gantrymotorcontroller 34, der die Drehzahl und die Position der Gantry 12 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 36 sampelt die Analogdaten, die von den Detektorelementen 28 erzeugt werden und konvertiert die Analogdaten in Digitalsignale zur nachfolgenden Verarbeitung derselben. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 38 empfängt die gesampelten und digitalisierten Röntgenstrahlungsdaten von dem DAS 36 und führt eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch, um das CT-Bild zu rekonstruieren. Ein Hauptcontroller oder Computer 40 speichert die CT-Bilder in einer Massenspeichereinrichtung 42.
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Der Computer 40 empfängt außerdem über eine Bedienkonsole 48 Befehle und Scanparameter von einem Bediener. Ein Display 46 gestattet es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten des Computers 40 anzusehen. Die von dem Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 40 zum Betrieb des Steuermechanismus 30 genutzt. Zusätzlich betreibt der Computer 40 einen Tischmotorcontroller 42, der den Tisch 20 translatorisch bewegt, um den Patienten 22 in der Gantry 12 zu positionieren.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen, die eine perspektivische Querschnittsdarstellung einer Anodenanordnung 50 veranschaulicht, die eine Lagereinhausung 52 und einen Hitzeschild 54 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Die Anodenanordnung 50 enthält eine drehende Anode 56 mit einem Target 58, dem ein Fokuspunkt 60 zugeordnet ist. Die Anode 56 dreht über ein Paar Lagersätze 64 um eine Lagerwelle 62. Der Hitzeschild 54 sitzt zwischen der Anode 56 und den Lagern 64. Die Lagereinhausung 52 und der Hitzeschild 54 halten die Betriebstemperatur der Lager 64 und sie sind in ihrer Ausdehnung beschränkt. Die Lagereinhausung 52 und der Hitzeschild 54 verhindern, indem sie die Betriebstemperatur der Lager 64 halten, eine thermische Expansion der anderen der Anode zugeordneten Komponenten innerhalb der Anodenanordnung. Die Verhinderung der thermischen Expansion der Komponenten der Anodenanordnung verhindert die Verlagerung des Fokuspunkts. Es sind des Weiteren auftreffende Elektronen 66, resultierende emittierte Röntgenstrahlen 68 und eine beispielsweise Fokuspunktverlagerung D veranschaulicht. Die Fokuspunktverlagerung D ist nicht maßstäblich veranschaulicht und kann in ihrer Größe von der konkreten Anwendung abhängen, wobei sie in ihrer Größe durch die Lagereinhausung 52 minimiert ist.
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Die Lagereinhausung 52 umgibt einen vorderen Satz von Lagern 70 und einen hinteren Satz von Lagern 72. Die Lagereinhausung 52 enthält ein Lagergehäuse 74 und eine Welle 76. Das Gehäuse 74 enthält die Frontlager 70 und die Welle 76 trägt oder enthält die hinteren Lager 72. Die Welle 76 kann das Gehäuse 74, wie gezeigt, überlappen. Das Gehäuse 74 und die Welle 76 können in Form einer einzigen einstückigen Einheit oder, wie dargestellt, durch verschiedene Komponenten gebildet werden. Die Lager 64 können eine Trockenschmierung wie beispielsweise durch ein auf Graphit basierendes Schmiermittel aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das verwendete Schmiermittel einen Temperaturbereich von 400°C bis 550°C auf.
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Die Lagereinhausung
52 wird in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung aus einer oder mehreren ausdehnungsregulierten Legierungen gebildet. Beispiele solcher ausdehnungsregulierter Legierungen sind die Legierung 36, die Legierung 39, die Legierung 42, die Legierung 45, die Legierung 49, Invar 36
®, Kovar
®, Ceramvar
® und Inco 909. Diese Legierungen haben unterschiedliche Anteile von Eisen, Nickel und Kobalt. Tabelle 1 gibt die Wärmeleitfähigkeit, die Streckgrenze und Elastizitätsmodulwerte für einige der oben genannten Legierungen wieder. Tabelle 1 liefert außerdem die Wärmeleitfähigkeit, die Dehngrenze und den Elastizitätsmodul für ein typisches Glidcop. Glidcop besteht im Wesentlichen aus Kupfer und es hat nicht die hier gewünschten Wärmeleitfähigkeits- und Dehnungseigenschaften. Tabelle 1 – Charakteristische Werte dehnungsregulierter Legierungen
| | Legierung 36 | Legierung 39 | Legierung 42 | Legierung 49 | Kovar® | Inco 909 | Glidcop |
| wärmeleitfähig-keit (Btu-in/hr-sq ft-deg F) | 72,6 | 73,5 | 74,5 | 90 | 130,3 | 137,3 | 1872 |
| Streckgrenze
(ksi) | 40 | 40 | 40 | 40 | 32,3 | 139,2 | 75 |
| Elastizitätsmodul (106 psi) | 20,5 | 21 | 21 | 24 | 22,9 | 23,8 | 18,8 |
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Bei der Ausbildung der Lagereinhausung 52 wird die dehnungsregulierte Legierung nach der interessierenden Anwendung ausgewählt. Es werden außerdem der Betriebsbereich der Lagertemperatur und die maximal zulässige Fokuspunktverlagerung beachtet. Die dehnungsregulierte Legierung wird so gewählt, dass eine Fokuspunktverlagerung von mehr als einer vorbestimmten Verlagerung verhindert wird.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die maximale oder vorbestimmte Fokuspunktverlagerung ungefähr 700 μm. Bei der genannten Ausführungsform werden dehnungsregulierte Legierungen gewählt, die eine thermische Ausdehnung der Anodenanordnung, die eine Fokuspunktverlagerung von mehr als 700 μm aus der Anfangsposition heraus verursacht, verhindert. Wenn ein geringeres Maß von Wärmeenergietransfer und eine geringere Fokuspunktverlagerung gewünscht wird, wird ein größerer Anteil der Legierung 36 zu Lasten des Anteils der Legierung 49 gewählt.
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Die dehnungsregulierten Legierungen hindern die Lagereinhausung 52 und die Anode 56 an einer thermischen Expansion in Vorwärtsrichtung längs zu der Drehachse 80 der Anodenanordnung 50. In 4 ist die Wärmeausdehnung über der Temperatur für eine Legierung 22-3 mit hoher Ausdehnung, eine Legierung 12-4 mit hoher Ausdehnung, einen kohlenstoffarmen Stahl, eine 49%ige Nickellegierung, eine 42%ige Nickellegierung, eine 39%ige Nickellegierung und eine 36%ige Nickellegierung veranschaulicht und mit den Bezugszeichen 82, 84, 86, 88, 90, 92 bwz. 94 bezeichnet. Es wird angemerkt, dass im Allgemeinen mit fallendem Nickelanteil des Materials die Wärmeausdehnung des Materials geringer wird.
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Bei der Auswahl von Legierungen zur Verwendung bei der Lagereinhausung 52 ist zu beachten, dass obwohl mit niedriger werdendem Nickelanteil die Wärmeausdehnung des Materials niedriger wird, der niedrigere Nickelanteil mehr Rost zulässt wie durch die Balkendiagramme gemäß 5 veranschaulicht ist. Die gestrichelten Balken 96 repräsentieren geglühte Materialien und die durchgezogenen Balken 98 repräsentieren kalt verformte Materialien. Die Rostanteile für geglühte und kalt verformte Materialien gehen von 0% über 30%, 36%, 41%, 48%, 50,5% und 80% Nickel. Weil Rost eine Verschlechterung der Systemkomponenten verursachen und einen schlechten Betrieb oder Ausfall von Komponenten verursachen kann, ist es gewünscht, das Ausmaß potentiell auftretenden Rosts zu reduzieren. Somit nutzen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Legierungen mit Nickelprozentsätzen zwischen 36% und 49%, die eine geringe Wärmeausdehnung und eine geringe Rostneigung haben.
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Es werden somit in Abhängigkeit von der maximalen Fokuspunktverlagerung den Lagerbetriebstemperaturen der Wärmeleitfähigkeit, der Elastizitätsmodule und der gewünschten Rostfestigkeit Legierungen zur Verwendung in der Lagereinhausung 52 ausgewählt. Die Legierungswahl kann außerdem in Abhängigkeit von anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Eigenschaften und Anforderungen an die Anodenanordnung getroffen werden.
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Es wird nochmals auf 3 Bezug genommen – obwohl der Hitzeschild 54 die Übertragung von Wärmeenergie zwischen der Anode 56 und den Lagern 64 verhindert, kann der Hitzeschild 54 eine radiale Höhe H haben, die bis zu einem gewissen Maß niedriger ist als die vorbestimmte Höhe für die thermische Energieübertragung zwischen der Anode 56 und den Lagern 64. Der thermische Energieübergang kann für Temperaturen erfolgen, die größer sind als eine vorbestimmte Schwelle. Indem die radiale Höhe H geringer festgesetzt wird als eine vorbestimmte Höhe, erbringt der Hitzeschild 54 eine Temperaturleitfähigkeit und -kontinuität zwischen den Lagern 64. Die Frontlager 70 sind in der Lage, sich auf eine Temperatur zu erwärmen, die ungefähr die gleiche ist, wie die der hinteren Lager 72, wodurch eine gleichmäßige Drehung der Anode 56 auf der Welle 62 erreicht wird.
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Der Hitzeschild 54 kann außerdem eine Anzahl von energieübertragenden Löchern 100 aufweisen. Die Löcher 100 ermöglichen eine Wärmeenergieübertragung von der Anode 56 auf die Lager 64. In Abhängigkeit von der Konfiguration der Löcher 100 kann eine größere Menge von Wärmeenergie auf das vordere Lager 70 oder das hintere Lager 72 gerichtet werden. Die Löcher 100 können in Größe und Form unterschiedlich sein und über den Hitzeschild 54 verteilt unterschiedliche Konfigurationen haben.
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Die vorliegende Erfindung liefert eine Anodenanordnung mit einem System zur Kontrolle der Temperatur der darin enthaltenen Lager. Die Anordnung verhindert die Verlagerung des Fokuspunkts der Anodenanordnung und gestattet einen Wärmeenergietransfer zwischen der Anode und den Lagern. Die Anodenanordnung ermöglicht eine erhöhte Gantrybetriebsgeschwindigkeit und erhöhte Röntgenleistung und hält die Lagerbetriebstemperatur innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs.
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Während die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben worden ist versteht es sich, dass die speziellen Mechanismen und Techniken, die hier beschrieben worden sind, lediglich illustrativen Zwecken und zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung dienen, wobei verschiedene Abwandlungen an den Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Erfindung zu verlassen.
