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Die
Erfindung betrifft eine Anode mit einem Grundkörper aus
einem ersten Werkstoff und mit einer Emissionsschicht, die aus einem
zweiten Werkstoff besteht, der beim Auftreffen von Elektronen Röntgenstrahlung
emittiert.
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Eine
derartige Anode ist in einem Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre
angeordnet und als Stehanode (Festanode) oder als Drehanode ausgebildet.
Bei einer Variante der Drehanode bildet die Anode eine Stirnseite
des sich drehenden Vakuumgehäuses (Drehkolben-Röntgenröhre).
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Die
thermische Belastbarkeit bei einer Festanode ist im Wesentlichen
abhängig von der thermischen Leistung, die in dem Grundkörper
und in der Emissionsschicht, insbesondere im Bereich des Brennflecks,
entsteht. Die thermische Belastbarkeit ist weiterhin abhängig
von der Bestrahlungszeit, der die Emissionsschicht durch die Elektronen
ausgesetzt ist. Ferner spielen die Eigenschaften der Werkstoffe,
wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit, die Dichte und
die spezifischen Wärmekapazitäten der beteiligten
Werkstoffe eine wesentliche Rolle.
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Die
Grenzfläche zwischen dem Grundkörper, gefertigt
aus einem ersten Werkstoff (z. B. Kupfer, Schmelzpunkt 1.084°C),
und der Emissionsschicht, die aus einem zweiten Werkstoff besteht,
ist für eine mögliche Überhitzung besonders
anfällig. Selbst bei Verwendung von Wolfram (Schmelzpunkt
3.422°C) als zweiten Werkstoff, muss die Stehanode durch
geeignete Kühlungsmaßnahmen (z. B. Konfektionskühlung
mit Luft, Durchflusskühlung mit Öl) auf den erlaubten
Temperaturbereich gekühlt werden, um dadurch eine ausreichende
thermische Belastbarkeit sicherzustellen.
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Eine
Festanode kann in ihren geometrischen Abmessungen relativ einfach
auf konstruktive Belange angepasst werden. So ist beispielsweise
auch eine Ringanode problemlos realisierbar.
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Die
auf die Emissionsschicht der Stehanode auftreffenden freien Elektronen
können durch eine thermische Emission oder durch eine Feldemission erzeugt
werden. Bei einer Erzeugung von Elektronen mittels Feldemission
wird an einen Feldemitter, der aus einem Material mit einer hohen
Emissionsstromdichte, wie beispielsweise Carbon-Nano-Tubes (CNT)
besteht, eine Spannung angelegt, wobei eine Erhitzung des Materials
nicht notwendig ist. Bei der Verwendung mehrerer Feldemitter ist
die Möglichkeit gegeben, auf der Stehanode mehrere Brennflecke nebeneinander
anzuordnen. Dies ist auch bei einer thermischen Emission mittels
Ablenkmagneten möglich. Mit einer ringförmigen
Stehanode (Ringanode) kann dann auf einfache Weise ein so genannter ”Non Mechanical”-Computertomograf
realisiert werden.
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Bei
einer Drehanode bewegen sich der Brennfleck und die Drehanode relativ
zueinander. Durch die im Brennfleck auftreffenden Elektronen, erzeugt
durch thermische Emission oder durch Feldemission, wird im Brennfleck
eine thermische Last erzeugt, die aufgrund der Rotation der Drehanode
auf einer Brennfleckbahn verteilt wird, so dass die Temperatur im
Brennfleck unterhalb des Schmelzpunkts des zweiten Werkstoffs bleibt,
aus dem die Emissionsschicht besteht. Durch Wärmeleitung
wird die thermische Last anschließend in der Drehanode
verteilt. Eine Drehanode weist somit in der Regel eine höhere
thermische Belastbarkeit auf als eine Festanode.
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Die
Temperatur im Brennfleck wird durch den Temperaturanstieg im Brennfleck
(Hubtemperatur), die Temperaturerhöhung in der Brennfleckbahn (Brennring
auf der Emissionsschicht) und durch die Temperatur des Grundkörpers
(Anodenkörper) bestimmt.
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Um
die Leistung einer Drehanode weiter zu steigern, kann beispielsweise
die Drehzahl der Drehanode erhöht werden. Dadurch wird
die Hubtemperatur im Brennfleck reduziert, da diese proportional
zur reziproken Wurzel der Rotationsfrequenz skaliert (kürzere
Verweildauer des Brennflecks im Elektronenstrahl und damit geringerer
Temperaturanstieg).
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Sowohl
die Stehanode als auch die Drehanode kann eine abgeschrägte
bzw. geneigte Emissionsschicht aufweisen. Der damit für
die Oberfläche der Emissionsschicht erzielte Neigungswinkel
beträgt üblicherweise ca. 5° bis 15°.
Dadurch wird der Elektronenstrahl, der orthogonal zur Oberfläche
der Emissionsschicht fokussiert wird, auf eine größere Fläche
verteilt (elektrischer Brennfleck), wobei der Röntgenbrennfleck
in seiner Länge um den Sinus des Neigungswinkels reduziert
wird (optischer Brennfleck).
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Unter
der Annahme, dass der Grundkörper aus Kupfer besteht und
seine Unterseite konstant auf Raumtemperatur gehalten wird, ergibt
sich für einen elektrischen Brennfleck der Größe
1,2·6,0 mm2 eine maximale thermische
Leistung von ca. 3,9 kW.
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Eine
Anode, die Bestandteil eines Drehkolbenstrahlers ist, ist beispielsweise
aus der
DE 10 2005
034 687 B3 bekannt. Der Wärmeleitkörper
umfasst zumindest ein Wärmeleitelement, das an einer abgewandten
Außenseite eines Grundkörpers senkrecht zur Oberfläche
der Anode angeordnet ist. Der Grundkörper weist hierzu
an der abgewandten Außenseite eine Struktur zur Aufnahme
der Wärmeleitelemente unter Ausbildung von Dehnungsfugen
auf. Durch den Wärmeleitkörper bzw. durch die
Wärmeleitelemente wird die Ableitung der Wärme
verbessert, die im Bereich des Brennflecks bzw. der Brennbahn von
den auftreffenden Elektronen im Grundkörper erzeugt wird.
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In
der
DE 10 2004
003 368 A1 ist eine Anode beschrieben, die als Drehanodenteller,
insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre
mit direkter Anodenkühlung, ausgebildet ist. Ein aus einem
ersten Werkstoff gefertigter Grundkörper weist unterhalb der
Brennbahn eine gegenüber dieser verbreiterte Ringaussparung
auf, in der ein ringförmiger Wärmeleitkörper aus
einer parallel zur Oberfläche der Anode angeordneten Schichtfolge
von zweiten Werkstoffen eingebracht ist.
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Weiterhin
ist in der
DE
10 2004 003 370 A1 eine Anode offenbart, die als Hochleistungsanodenteller
für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre
ausgeführt ist. Im Bereich der Brennfleckbahn ist an der
Unterseite eines Grundkörpers bzw. in einem unteren Teil
eines Grundkörpers wenigstens ein Wärmeleitkörper
angeordnet, der aus einem anderen Werkstoff als der Grundkörper
gefertigt ist.
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Ferner
ist aus der
DE 100
56 623 A1 eine Stehanode bekannt, die einen Grundkörper
aus einem thermisch gut leitfähigen Werkstoff, z. B. Kupfer (Cu)
oder Silber (Ag), und eine Emissionsschicht aus einem Seltenerdmetall,
z. B. Gadolinium (Gd) oder Dysprosium (Dy), umfasst. Um eine ausreichende Haftung
der Emissionsschicht auf dem Grundkörper zu erzielen, ist
zwischen der Emissionsschicht und dem Grundkörper eine
Zwischenschicht aus Titan (Ti) oder Molybdän (Mo) angeordnet.
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In
der
US 4,777,643 ist
schließlich eine Drehanode offenbart, die einen metallischen
Träger mit einer Brennbahn bzw. Brennfläche aufweist.
Der Träger ist auf einer Welle verdrehfest angeordnet und auf
seiner der Brennbahn bzw. Brennfläche abgewandten Seite über
eine als Laminat ausgebildete Zwischenschicht mit einem Graphitkörper
verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anode mit einer verbesserten
thermischen Belastbarkeit zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anode
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Anode sind jeweils in den
weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die
Anode gemäß Anspruch 1 umfasst einen Grundkörper
aus einem ersten Werkstoff und eine Emissionsschicht, die aus einem
zweiten Werkstoff besteht, der beim Auftreffen von Elektronen Röntgenstrahlung
emittiert. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Grundkörper
und der Emissionsschicht eine Zwischenschicht angeordnet, die aus
einem dritten Werkstoff besteht, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit
aufweist als der erste Werkstoff.
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Da
der dritte Werkstoff, aus dem die Zwischenschicht besteht, eine
höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als
der erste Werkstoff, aus dem der Grundkörper gefertigt
ist, bildet die Zwischenschicht eine sehr gute Wärmesenke
für die beim Auftreffen der Elektronen in der Emissionsschicht
entstehende Wärme. Im Vergleich zu einer direkten Wärmeabführung
in den Grundkörper wird während des Betriebs der
Anode die im Brennfleck und/oder in der Brennfleckbahn entstehende
Wärme schneller und gleichmäßiger aus
der Emissionsschicht abgeführt und von der Zwischenschicht
anschließend an den Grundkörper abgegeben. Man
erhält somit bei der erfindungsgemäßen
Anode ein deutlich verbessertes Wärmeverhalten, insbesondere
ist kurzzeitig eine deutlich höhere thermische Belastung
der erfindungsgemäßen Anode möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 weist der dritte
Werkstoff, aus dem die Zwischenschicht gefertigt ist, nicht nur
eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der
erste Werkstoff auf, sondern darüber hinaus auch einen
höheren Schmelzpunkt als der erste Werkstoff, aus dem der Grundkörper
besteht. Dadurch wird die thermische Belastungsgrenze der Anode
in vorteilhafter Weise nochmals erhöht.
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Bei
einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 besteht der
Grundkörper aus einem der folgenden ersten Werkstoffe oder
einer Kombination hieraus: Kupfer (Cu), Molybdän (Mo),
TZM, Keramik, hochwärmeleitfähiges Graphit. Bei
TZM handelt es sich um eine Molybdänlegierung, die außer
Molybdän noch 0,5 Gew.-% Titan (Ti), 0,08 Gew.-% Zirkonium (Zr)
und 0,02 Gew.-% Kohlenstoff (C) enthält. Ein Grundkörper,
der aus wenigstens einem dieser Werkstoffe gefertigt ist, weist
eine gute Wärmespeicherfähigkeit und gute Wärmeabstrahleigenschaften
auf.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel nach Anspruch 4 ist als zweiter Werkstoff,
aus dem die Emissionsschicht besteht, Wolfram (W) oder eine Wolfram-Rhenium-Legierung
(W-Re) vorgesehen.
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Als
dritter Werkstoff, aus dem die Zwischenschicht gefertigt ist, sind
gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 5 hochwärmeleitfähiges
Graphit, Diamant oder CVD-Diamant oder eine Kombination hieraus
besonders vorteilhaft. Als Verbindungstechnik können alternativ
auch diverse Materialien (z. B. Lot) auftreten. Bei einem CVD-Diamanten
handelt es sich um einen künstlichen Diamanten, der in
einem CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung)
hergestellt wurde.
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Insbesondere
wenn die Zwischenschicht aus Diamant oder CVD-Diamant gefertigt
ist, ist unter thermischen Gesichtspunkten eine Ausgestaltung gemäß Anspruch
6, die für die Schichtdicke der Zwischenschicht eine kostengünstige
Schichtdicke von ca. 0,1 mm bis ca. 2,0 mm vorsieht, vollkommen
ausreichend.
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Für
die Langlebigkeit der erfindungsgemäßen Anode
sind einerseits die Verbindung zwischen der Emissionsschicht und
der Zwischenschicht und andererseits die Verbindung zwischen der
Zwischenschicht und dem Grundkörper entscheidend. Für
den Fall, dass auf der Außenfläche der Zwischenschicht kein
permanenter und vollflächiger Kontakt mit der Außenfläche
der Emissionsschicht und mit der Außenfläche des
Grundkörpers gewährleistet werden kann, besteht
die Gefahr, dass die Zwischenschicht thermisch überlastet
und dadurch dauerhaft geschädigt wird. Vorteilhaft ist
es deshalb, die Anode gemäß einer Ausgestaltung
nach Anspruch 7 und/oder Anspruch 8 auszuführen. Durch
eine Lötung erhält man dauerhaft eine kraft- und
formschlüssige (vollflächige) Verbindung der Zwischenschicht
mit der Emissionsschicht bzw. mit dem Grundkörper. Als
besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine Lötung aus
Titan (Ti) oder Gold (Au), da sich diese Lote gut mit Kohlenstoff
(hochwärmeleitfähiges Graphit, Diamant oder CVD-Diamant)
verbinden lassen und eine ausreichend hohe Lot temperatur von über
1.000°C aufweisen und der Anode dadurch eine gute mechanische
und thermische Stabilität verleihen.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden
anhand von zwei schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch
auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt
zu sein. Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform einer
Anode gemäß der Erfindung,
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2 eine
prinzipielle Darstellung einer zweiten Ausführungsform
einer Anode gemäß der Erfindung.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Anode handelt es sich um eine
Stehanode (Festanode). Wohingegen die in 2 gezeigte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anode als Drehanode ausgebildet ist, die um ihre Drehachse 10 rotiert.
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Sowohl
die Anode gemäß 1 als auch
die Anode gemäß 2 umfasst
jeweils einen Grundkörper 1 aus einem ersten Werkstoff
und eine Emissionsschicht 2, die aus einem zweiten Werkstoff
besteht, der beim Auftreffen von Elektronen Röntgenstrahlung
emittiert. Zwischen dem Grundkörper 1 und der
Emissionsschicht 2 ist eine Zwischenschicht 3 angeordnet,
die aus einem dritten Werkstoff besteht.
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Bei
der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen
weist der dritte Werkstoff, aus dem die Zwischenschicht 3 gefertigt
ist, erfindungsgemäß jeweils eine höhere
Wärmeleitfähigkeit und in den dargestellten Ausführungsbeispielen
darüber hinaus auch einen höheren Schmelzpunkt
auf als der erste Werkstoff, aus dem der Grundkörper 1 besteht.
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Da
der dritte Werkstoff, aus dem die Zwischenschicht 3 besteht,
eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist
als der erste Werkstoff, aus dem der Grundkörper 1 gefertigt
ist, bildet die Zwischenschicht 3 eine sehr gute Wärmesenke
für die beim Auftreffen der Elektronen auf einem Brennfleck 4 (Stehanode
in 1) bzw. auf einer Brennfleckbahn 5 (Drehanode
in 2) in der Emissionsschicht 2 entstehende
Wärme. Im Vergleich zu einer direkten Wärmeabführung
in den Grundkörper 1 wird während des
Betriebs der Anode die im Brennfleck 4 bzw. in der Brennfleckbahn 5 entstehende
Wärme schneller und gleichmäßiger aus
der Emissionsschicht 2 abgeführt und von der Zwischenschicht 3 anschließend an
den Grundkörper 1 abgegeben. Man erhält
somit ein deutlich verbessertes Wärmeverhalten der Anode,
insbesondere ist kurzzeitig eine deutlich höhere thermische
Belastung der Anode möglich.
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Sowohl
die Stehanode gemäß 1 als auch
die Drehanode gemäß 2 weist
eine abgeschrägte bzw. geneigte Emissionsschicht 2 auf.
Der damit für die Oberfläche der Emissionsschicht 2 erzielte
Neigungswinkel beträgt üblicherweise ca. 5° bis
15°. Dadurch wird der Elektronenstrahl, der orthogonal
zur Oberfläche der Emissionsschicht 2 fokussiert
wird, auf eine größere Fläche verteilt
(elektrischer Brennfleck), wobei der Röntgenbrennfleck
in seiner Länge um den Sinus des Neigungswinkels reduziert
wird (optischer Brennfleck).
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Unter
der Annahme, dass der Grundkörper 1, wie in den
gezeigten Ausführungsbeispielen, aus Kupfer besteht und
seine Unterseite konstant auf Raumtemperatur gehalten wird, ergibt
sich ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenschicht 3 für
einen elektrischen Brennfleck der Größe 1,2·6,0 mm2 eine maximale thermische Leistung von ca.
3,9 kW.
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Alternativ
zu Kupfer oder in Kombination mit Kupfer können als weitere
Werkstoffe Molybdän (Mo), TZM, Keramik oder hochwärmeleitfähiges
Graphit verwendet werden. Alle diese Werkstoffe weisen gute Wärmespeicherfähigkeiten
sowie gute Wärmeabstrahleigenschaften auf.
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Die
Emissionsschicht 2 der in den 1 und 2 dargestellten
Anoden besteht aus Wolfram (W) oder aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung
(W-Re) mit einer Schichtdicke zwischen ca. 1 μm und ca.
200 μm.
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Die
Zwischenschicht 3 besteht aus Kohlenstoff, z. B. aus hochwärmeleitfähigem
Graphit, Diamant oder CVD-Diamant. Insbesondere wenn die Zwischenschicht 3 aus
Diamant oder CVD-Diamant gefertigt ist, ist eine unter Kostengesichtspunkten vorteilhafte
Schichtdicke von ca. 0,1 mm bis ca. 2,0 mm vollkommen ausreichend.
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Für
die Langlebigkeit der erfindungsgemäßen Anode
sind einerseits die Verbindung zwischen der Emissionsschicht 2 und
der Zwischenschicht 3 und andererseits die Verbindung zwischen
der Zwischenschicht 3 und dem Grundkörper 1 entscheidend.
Für den Fall, dass auf der Außenfläche
der Zwischenschicht 3 kein permanenter und vollflächiger
Kontakt mit der Außenfläche der Emissionsschicht 2 und
mit der Außenfläche des Grundkörpers 1 gewährleistet
werden kann, besteht die Gefahr, dass die Zwischenschicht 3 thermisch überlastet
und dadurch dauerhaft geschädigt wird.
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Der
permanente und vollflächige Kontakt der Außenflächen
der Zwischenschicht 3 mit der Außenfläche
der Emissionsschicht 2 und mit der Außenfläche
des Grundkörpers 1 ist bei den Anoden gemäß 1 und 2 jeweils
durch eine Lötung aus Titan (Ti) oder Gold (Au) realisiert.
Diese Lote lassen sich gut mit Kohlenstoff (hochwärmeleitfähiges
Graphit, Diamant oder CVD-Diamant) verbinden und weisen eine ausreichend
hohe Lottemperatur von über 1.000°C auf und verleihen
damit den in 1 und 2 gezeigten
Anoden eine gute mechanische und thermische Stabilität.
Die Lotschicht zwischen der Emissionsschicht 2 und der
Zwischenschicht 3 ist jeweils mit 6 bezeichnet.
Die Lotschicht zwischen dem Grundkörper 1 und
der Zwischenschicht 3 weist jeweils das Bezugszeichen 7 auf.
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Mit
Hilfe des in den 1 und 2 dargestellten
Aufbaus, kann die maximale thermische Leistung für einen
elektrischen Brennfleck der Größe 1,2·6,0
mm2 von ca. 3,9 kW auf über 6 kW,
also um ca. 50% gesteigert werden.
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Die
anhand der 1 und 2 erläuterten Maßnahmen
sind nicht nur auf Stehanoden (Festanoden) oder auf Drehanoden beschränkt.
Sie sind gleichermaßen auch für Anoden in Drehkolben-Röntgenröhren
(Anode bildet eine Stirnseite des sich drehenden Vakuumgehäuses)
und für Anodenstäbe und Ringanoden (z. B. zur
Realisierung von ”Non Mechanical”-Computertomografen)
geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005034687
B3 [0012]
- - DE 102004003368 A1 [0013]
- - DE 102004003370 A1 [0014]
- - DE 10056623 A1 [0015]
- - US 4777643 [0016]