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Die
Erfindung betrifft eine Fokussiervorrichtung sowie eine Röntgenröhre mit
einer solchen Fokussiervorrichtung und einen Computertomographen mit
einer solchen Röntgenröhre. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bündeln von Elektronenstrahlen
mit einer solchen Fokussiervorrichtung.
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Röntgenstrahlen
können
dazu verwendet werden, Objekte zu durchleuchten und das entstehende
Abbild genauer zu untersuchen. Eine besonders effiziente Durchleuchtung
und Untersuchung lässt
sich mit einem Computertomographen erreichen. Damit erstellte Aufnahmen
bieten im Vergleich zu konventionellen Röntgenaufnahmen den Vorteil, dass
kein Überlappen
von Bildmerkmalen auftritt und das Objekt in einzelnen Querschnittsschichten
betrachtet und ausgewertet werden kann. Eine Auswertemöglichkeit
ist das Vermessen von durchstrahlten Objekten. Die Messunsicherheit
ist umso kleiner, je schärfer
sich ein Röntgenstrahlen
emittierender Ort als Punktquelle („Brennfleck") ausbilden lässt. Dies kann
unter anderem dadurch erreicht werden, indem Elektronenstrahlen
auf ein Target fokussiert werden. Eine solche Fokussierung geschieht üblicherweise mittels
mindestens einer Kupferspule, welche einen Reineisenkern mit Luftspalt
aufweist. In Abhängigkeit von
der Geometrie von Polschuhen des Reineisenkerns und einer Stromstärke durch
die Spulenwicklungen kann die Brennweite des Elektronenstrahls bestimmt
werden.
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Während der
Fokussierung eines Elektronenstrahls in einer Röntgenröhre ist es jedoch unvermeidbar,
dass sich aufgrund des in den Spulenwicklungen fließenden elektrischen
Stromes und der damit erzeugten Verlustleistung eine derartige Spule sowie
das umgebende Gehäuse
erwärmen.
Dies führt
dazu, dass sich die Geometrie der Röntgenröhre ändert. Da für das Erstellen von Bildaufnahmen
eines Objektes mittels Computertomographie mehrere Minuten bis eine
halbe Stunde erforderlich sein können,
werden im Hinblick auf ein Temperaturgleichgewicht und eine unveränderte Geometrie
der Röntgenröhre hohe
Anforderungen gestellt. Ändert
sich in dieser Zeit die Position des Brennfleckes relativ zur Ausrichtung
zwischen Objekt und Detektor eines Computertomographen, welches
zum einen durch ein „Wandern" des Brennfleckes
auf dem Target, zum anderen durch die Verformung der gesamten Röhrenaufspannung
erfolgt, nimmt die Messunsicherheit bei der Auswertung der Computertomographie-Aufnahmen signifikant
zu.
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Wird
die Beschleunigungsspannung der Elektronenquelle geändert, muss
das Magnetfeld über
die Anpassung des die Spule der Fokussiervorrichtung durchfließenden Stromes
geändert
werden. Dies führt
aufgrund des ohmschen Widerstandes der Spule zu einer sich ändernden
Verlustleistung in der Fokussiereinheit, die zu einer Erwärmung führt, welches
ebenfalls mit einer Geometrieänderung
der Röntgenröhre einhergeht.
Ein zuverlässiges
und langzeitstabiles Vermessen eines durchleuchteten Objektes aus
der Gesamtheit aller Projektionsaufnahmen ist erst dann wieder möglich, wenn
sich ein neues Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, welches
auch in der geforderten Messzeit konstant bleibt.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Fokussiervorrichtung
und ein Verfahren zum Fokussieren zu schaffen, so dass ein Brennfleck
für einen
Elektronenstrahl in einer Röntgenröhre in seiner Position
und in seinem Durchmesser über
lange Zeit konstant gehalten werden kann, wobei sich die Röntgenröhre einfach,
kompakt und leicht bauen lässt.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung weist
einen elektrischen Leiter, der zu mindestens einer Spulenwindung
geformt ist, und einen ferromagnetischen Kern auf, der so ausgebildet
ist, dass er in und um die mindestens eine Spulenwindung verläuft, wobei
der Kern zwei Enden aufweist, welche so zueinander orientiert sind,
dass sich mit einem aus den Enden austretenden Magnetfeld ein koaxial
zur Spulenwindungsachse verlaufender Elektronenstrahl bündeln lässt, wobei
im Kern mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen ist. Durch Einsatz
eines Permanentmagneten im Kern ist es möglich, eine solche Magnetfeldstärke zu erzeugen,
dass koaxial zur Spulenachse verlaufende Elektronenstrahlen bereits gebündelt werden,
während
durch die Spule kein Strom oder nur ein sehr geringer Strom geschickt wird.
Damit entsteht keine oder eine erheblich kleinere Verlustleistung
in der Spule, so dass auch keine oder nur eine geringe Wärmeentwicklung
in der Röntgenröhre erzeugt
wird. Dadurch kommt es zu keinen mechanischen Verformungen der Röntgenröhre durch
Temperaturschwankungen und zu keiner Verlagerung eines Brennfleckes
auf einem Target. Dies bewirkt, dass auch während einer langen Messzeit zueinander
konsistente Röntgenaufnahmen
mit einem Computertomographen aufgenommen werden können.
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Wird
das Magnetfeld des Permanentmagneten noch durch ein von der Spule
erzeugtes Magnetfeld verstärkt,
kann im Vergleich zu Lösungen
nach dem Stand der Technik eine Spule mit einer geringeren Windungszahl
beziehungsweise aufgrund verringertem Stromfluss einem geringeren
Leitungsquerschnitt und einem leichteren, weil kompakteren Kern verwendet
werden. Während
eine maximale geforderte magnetische Flussdichte einen bestimmten Querschnitt
des Kerns bedingt, kann jedoch die Länge des magnetischen Kreises
durch eine kleinere Spule reduziert werden. Damit ist es möglich, bei gleicher
Beschleunigungsspannung und gleicher Brennweite eines Elektronenstrahls
eine Mikrofokusröntgenröhre zu bauen,
die leichter und kompakter ausgeführt ist als im Stand der Technik.
Ein Permanentmagnet ist zudem ein preiswertes Bauelement, so dass
eine Röntgenröhre mit
der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung
kostengünstig
gefertigt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der mindestens eine Permanentmagnet in radialem Abstand zur
mindestens einen Spulenwindung angeordnet. Durch den radialen Abstand
kann der in der Regel zweiteilige Kern einfach montiert werden.
In diesem Fall ist es möglich,
auf einen Basisteil des Kerns einen Permanentmagneten zu platzieren
und anschließend
auf diese gebildete Trennebene einen oberen Abschlussteil des Kerns
aufzusetzen. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnet in einem Teil
des Kerns vorgesehen, der außen
um die Spulenwindung herum angeordnet ist. Durch den Abstand zum
axial verlaufenden Elektronenstrahl kann der Einfluss des nicht
im Eisenkern geführten
Restmagnetfeldes auf den Elektronenstrahl deutlich minimiert werden.
Die Bündelung
des Elektronenstrahls erfolgt daher nur durch das an den offenen
Enden des Kerns beziehungsweise dem Polschuh austretende Magnetfeld.
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Vorzugsweise
ist der Permanentmagnet ringförmig
ausgebildet. Bei einer solchen Konstruktion wird eine hohe Symmetrie
des Magnetfeldes erreicht, so dass sich der Elektronenstrahl in
hoher Güte
bündeln
lässt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform lässt sich
das Magnetfeld des Permanentmagneten durch ein Zusatzteil mindestens
teilweise kurzschließen.
Dies ermöglicht
eine variable Einstellung des Magnetfeldes, welches an den Enden
des Kerns vorliegt, um den Elektronenstrahl zu bündeln. Unabhängig von
der Bestromung der Spule lässt
sich durch eine entsprechende Position des Zusatzteils das Magnetfeld
an den offenen Enden des Kerns direkt einstellen. Bei einer stromdurchflossenen
Spule kann durch das Zusatzteil der Anteil des Permanentmagneten
am gesamten Magnetfeld variabel eingerichtet werden. Dies bedeutet,
dass sich durch den Permanentmagneten ein Grundmagnetfeld erzeugen
lässt, welches
das Magnetfeld der Spule unterstützt,
so dass eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls erreicht
wird.
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Eine
einfache Möglichkeit
zur variablen Veränderung
des vom Permanentmagneten beigesteuerten Magnetfeldes besteht darin,
dass das Zusatzteil am Kern verschiebbar angeordnet ist. Vorzugsweise
ist dies stufenlos möglich,
so dass eine Feinfokussierung des Elektronenstrahls nur durch entsprechendes
Positionieren des Zusatzteiles erreicht wird. Selbstverständlich kann
die Feinfokussierung zusätzlich
durch ein entsprechendes Bestromen der Spule unterstützt werden.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Veränderung des
vom Permanentmagneten eingebrachten Magnetfeldes besteht darin,
dass das Zusatzteil zum Kern hin oder vom Kern fort bewegbar ist.
Damit ist ein digitales Zuschalten oder Kurzschließen des
vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes möglich.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass ein Bündeln von Elektronenstrahlen
allein durch das Magnetfeld des mindestens einen im Kern angeordneten Permanentmagneten
möglich
ist. Zusätzlich
kann ein Bündeln
der Elektronenstrahlen auch durch ein Magnetfeld erfolgen, das durch
das Bestromen einer Spule erzeugt wird. Im letzteren Fall lässt sich
die Spule dazu nutzen, eine Feinfokussierung des Elektronenstrahls
zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird ferner durch eine Röntgenröhre mit
einer oben beschriebenen Fokussiervorrichtung und durch einen Computertomographen
mit einer derartigen Röntgenröhre gelöst.
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Vorteile
und Weiterbildungen der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden
Figuren erläutert,
in denen zeigen:
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1 eine
schematische, stark vereinfachte Darstellung eines Computertomographen
mit einer Röntgenröhre;
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2 eine
schematische Darstellung einer Röntgenröhre für einen
Computertomographen;
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3 eine
perspektivische Teilschnittansicht einer Fokussiervorrichtung zum
Bündeln
eines Elektronenstrahls gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines
Elektronenstrahls gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines
Elektronenstrahls gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines
Elektronenstrahls gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines
Elektronenstrahls gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung; und
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8A bis 8C Querschnittsansichten einer
oberen Hälfte
eines Kerns für
eine Fokussiervorrichtung gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung mit verschiedenen Positionen eines Zusatzteils zum
Kurzschließen
eines Magnetfeldes.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Computertomographen gezeigt.
Der Computertomograph 100 weist eine Röntgenstrahlquelle 101 auf,
von der Röntgenstrahlen 102 kegelstrahlförmig in
Richtung zu einem zu untersuchenden Objekt 103 ausgesendet
werden. Die in Form eines Kegels ausgebildeten Strahlen 102 treffen
auf das Objekt 103, welches auf einem Manipulator 104 relativ
zur Röntgenstrahlquelle 101 bewegbar
gelagert ist, siehe Bezugszeichen 105, und werden teilweise
absorbiert, gestreut oder hindurch gelassen. Ein hinter dem Objekt 103 angeordneter
Detektor 106 erfasst die durch das Objekt 103 passierten
Röntgenstrahlen 102.
Dabei werden vom Detektor 106 eine Vielzahl von Aufnahmen
in Abhängigkeit
von einer Winkelposition des Objektes 103 zur Röntgenstrahlquelle 101 aufgenommen.
Mit einer Datenverarbeitung 107 lassen sich diese Aufnahmen
so aufbereiten, dass eine dreidimensionale Struktur und Querschnitte
des Objektes 103 erstellt werden können („Rekonstruktion").
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2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Röntgenröhre 1 einer Röntgenstrahlquelle 101.
Die Röntgenröhre 1 weist
eine Kathode mit einem Haarnadel-Heizfaden 2 und einem
Wehnelt-Zylinder 3 in Form einer Abschirmgitterblende auf.
Die von dem Heizfaden 2 emittierten Elektronen werden durch
den negativ gepolten Wehnelt-Zylinder 3 abgestoßen. Der
aus dem Wehnelt-Zylinder austretende Elektronenstrahl 4 wird
in eine Richtung derart abgelenkt, dass er aufgrund einer auf positivem
Potential liegenden Lochanode 6 eine Anziehungskraft erfährt und sich
in einem Kreuzungspunkt 5 konzentriert, der in der Ebene
der Lochanode 6 liegt. Der Anode 6 nachgeschaltet
sind mehrere Ablenkspulen 7, 8, die den Elektronenstrahl 4 ausrichten.
Anschließend
folgt eine Fokussiervorrichtung 9 mit einer Spule 10 und einem
Kern 11 mit einem Polschuh 12, wobei der Kern 11 die
Spule 10 allseitig umschließt beziehungsweise kapselt.
Das von dieser Fokussiervorrichtung 9 erzeugte Magnetfeld
erlaubt eine starke Fokussierung des Elektronenstrahls 4 mittels
einer kurzen Brennweite der Fokussiervorrichtung 9, so
dass der Elektronenstrahl 4 auf ein Target 13 gerichtet
und gebündelt
wird. Der Elektronenstrahl 4 prallt auf dem Target 13 so
gebündelt
auf, dass ein Brennfleck 14 gebildet wird, von dem aus
Röntgenstrahlen 15 in
einen Vollraum ausgesendet werden. Sie gelangen als Nutzstrahlkegel über einen
Austrittsbereich 16 aus der Röntgenröhre 1 hinaus. Die
Röntgenröhre ist
im Raum so orientiert, dass die Röntgenstrahlen auf ein zu untersuchendes
Objekt gerichtet sind.
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Die
erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung 9 ist
in einer perspektivischen Teilschnittansicht in 3 und
in einer Querschnittsansicht in 4 gezeigt.
Zu der Spule 10 ist ein Kern 11 zugehörig, der mit
einem Innenring 21 in der Spule und mit einem Außenring 22 um
die Spule herum verläuft.
Die Ringe 21 und 22 sind durch ein Verbindungsteil 23 an
einer Seite des Kerns 11 miteinander gekoppelt, wobei die beiden
Ringe 21, 22 und das Verbindungsteil 23 einstückig ausgebildet
sein können.
An der gegenüberliegenden
Seite des Verbindungsteiles 23 weist der Kern 11 einen
zur Spulenachse 40 orientierten Kernendabschnitt 24 auf,
der den Innenring 21 fortsetzt. Der Kernendabschnitt 24 ist
bei der ersten Ausführungsform
der Fokussiervorrichtung 9 kegelförmig ausgebildet und besitzt
ein offenes Ende 25, siehe 4, durch
welches koaxial zur Spulenachse 40 der Elektronenstrahl 4 (in 3 und 4 symbolisch
durch einen Pfeil dargestellt) passieren kann. Der Kern 11 weist
ferner einen Kernendabschnitt 26 auf, der den Außenring 22 fortsetzt,
wobei der Kernendabschnitt 26 bei der ersten Ausführungsform
der Fokussiervorrichtung kegelförmig
ausgebildet ist und ein offenes Ende 27 besitzt, siehe 4,
so dass der Elektronenstrahl 4 den Kern koaxial zur Spulenachse 40 durchqueren
kann. Die Enden 25 und 27 der beiden Kernendabschnitte 24 und 26 bilden
einen Polschuh 12, an dem ein im Kern verlaufendes Magnetfeld 60 austreten
kann, siehe 8A bis 8C, um den
koaxial zu der Spulenachse 40 verlaufenden Elektronenstrahl 4 zu
bündeln.
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Der
Außenring 22 ist
bei der in 3 und 4 dargestellten
Ausführungsform
zweiteilig ausgeführt,
um eine Montage der Fokussiervorrichtung 9 zu ermöglichen.
Der Außenring 22 besitzt
ein Basisteil 28 und ein Kopfteil 29, welches
auf das Basisteil 28 gesetzt werden kann. Somit liegt eine
Trennebene 30 zwischen beiden Teilen 28 und 29 vor.
Der Außenring 22 des
Kerns 11 ist gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung mit einem Permanentmagneten 31 versehen,
der ringförmig
ausgebildet ist. Der Permanentmagnet 31 kann in den Außenring 22 bzw.
das Basisteil 28 oder das Kopfteil 29 eingesetzt oder
auf diesen aufgesetzt werden. Für
einen symmetrischen Verlauf des Magnetfeldes im Kern 11 ist die
ringförmige
Geometrie vorteilhaft.
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Die
Pole des Permanentmagneten 31 sind so orientiert, dass
die vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetfeldlinien vom ferromagnetischen Kern 11 einerseits
durch das Basisteil 28 des Außenrings 22, das Verbindungsteil 23 und
von dort zum Innenring 21 bis zum Kernendabschnitt 24 sowie
andererseits vom Kopfteil 29 des Außenrings 22 über den Kernendabschnitt 26 geleitet
werden. An den Enden 25 und 27 treten die Feldlinien
aus und weiten sich im Luftspalt des Polschuhs 12 auf,
siehe 8A bis 8C.
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Das
Magnetfeld kann im Kern 11 dadurch erhöht werden, dass nicht nur ein
Permanentmagnet 31, sondern ein zusätzlicher Permanentmagnet 32 vorgesehen
ist. Er ist zum Beispiel im Innenring 21 des Kerns 11 entlang
der Trennebene 30 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform
besitzt der Innenring 21 ein Basisteil 33 und
ein Kopfteil 34, so dass der zusätzliche Permanentmagnet 32 dazwischen
eingesetzt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch darauf
zu achten, dass ein Randmagnetfeld des zusätzlichen Permanentmagneten 32 den
Elektronenstrahl 4 in seiner Form nicht oder nur unwesentlich
beeinträchtigt,
um anschließend
ein präzises Justieren
im Bereich des Polschuhs zu erreichen. Für einen einfachen und kompakten
Aufbau stellen die Innenwandungen des Innenrings 21 gleichzeitig
die Wandungen eines im Vakuum geführten Elektronenstrahlrohres
(nicht eingezeichnet) dar und sind daher vakuumdicht und vakuumrein
ausgeführt.
Dies kann zum Beispiel durch einen vakuumreinen Permanentmagneten 32 mit
vakuumdichten Fugekanten erreicht werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, den Permanentmagneten 32 vom Vakuum fernzuhalten
und entsprechende Abdichtungen vorzusehen. Das vom Permanentmagneten 32 ausgehende
Magnetfeld kann durch geeignete Materialien magnetisch so abgeschirmt
werden, dass der Elektronenstrahl 4 durch das Randmagnetfeld
kaum beeinträchtigt
wird.
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In 6 ist
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, wobei das Magnetfeld des einen Permanentmagneten 31 durch
ein Zusatzteil in Gestalt eines verschiebbaren Ringes 50 teilweise kurzgeschlossen
ist. Der Ring 50 ist mittels einer Mechanik in axialer
Richtung der Fokussiervorrichtung 9 derart verschiebbar,
dass er vom Magnetfeld des Permanentmagneten 31 nicht,
teilweise oder vollständig
durchflutet wird, siehe 8A bis 8C. Damit
kann der Anteil des Magnetfeldes des Permanentmagneten 31 zum
Gesamtmagnetfeld, welches das Magnetfeld durch eine bestromte Spule 10 mit umfasst,
variabel eingestellt werden, so dass sich am Polschuh 12 der
hindurchtretende Elektronenstrahl 4 fein abgestimmt bündeln lässt.
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In
den 8A bis 8C ist
vereinfacht jeweils nur die obere Hälfte des Kerns 11 ohne
die Spule 10 dargestellt. Die eingezeichneten Magnetfeldlinien
repräsentieren
das Magnetfeld, welches im Kern durch den Permanentmagneten 31 in
Abhängigkeit von
der Position des Ringes 50 erzeugt wird. Bei der in 8A dargestellten
Position des Rings 50 liegt ein Magnetfeld B1 vor. Der
Betrag des Magnetfeldes B1 ist höher
als derjenige des Magnetfeldes B2 bei der in 8B dargestellten
Position des Ringes 50, bei der ein Teil des vom Permanentmagneten 31 ausgehenden
Magnetfeldes kurzgeschlossen ist. Einen noch geringeren Betrag als
das Magnetfeld B2 weist das Magnetfeld B3 auf, siehe 8C.
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Bei
dieser Position des Ringes 50 wird nahezu das gesamte Magnetfeld
des Permanentmagneten 31 kurzgeschlossen.
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Die
Feineinstellung des Gesamtmagnetfeldes kann alternativ oder zusätzlich zur
Position des Ringes 50 durch eine Änderung des in der Spule 10 fließenden Stromes
erfolgen. Als Maß für die Feineinstellung
des Magnetfeldes und damit die Bündelung des
Elektronenstrahls 4 sowie der Größe des Brennfleckes 14 kann
unter anderem die erzielte Auflösung eines
aufgenommenen Bildes unter Verwendung eines Kalibrierobjektes herangezogen
werden.
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Eine
vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung 9 ist
in 7 dargestellt. Die Fokussiervorrichtung 9 weist
einen Permanentmagneten 35 innerhalb des Verbindungsteiles 23 auf,
wobei eine Lochscheibe 51 an einer Stirnseite der Fokussiervorrichtung 9 parallel
zum Verbindungsteil 23 angeordnet ist. Die Scheibe 51 kann
als Anker verwendet werden, der zum Beispiel vollständig am
Permanentmagneten 35 anliegt und dabei das von ihm ausgehende
Magnetfeld kurzschließt. Bei
entsprechender Dimensionierung der Scheibe 51 kann das
vom Permanentmagneten 35 ausgehende Magnetfeld auch nur
teilweise kurzgeschlossen werden. Die Scheibe 51 lässt sich
auch in einem Abstand zum Permanentmagneten 35 so platzieren,
dass sie den Verlauf des Magnetfeldes des Permanentmagneten 35 nicht
beeinflusst. Durch eine axiale Bewegung der Scheibe 51 kann
ein Zuschalten oder Abschalten einer Kurzschlusswirkung für das Magnetfeld
des Permanentmagneten 35 erzielt werden. Bei dieser Ausführungsform
ist es möglich,
eine sprungartige Erhöhung
oder Absenkung des Magnetfeldes am Polschuh 12 durchzuführen.