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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines von einem Emitter von Elektronen ausgehenden Elektronenstrahls für die Erzeugung von Röntgenstrahlung, insbesondere für die Modulation von Röntgenstrahlung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Röntgenröhre aufweisend eine derartige Vorrichtung.
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Beim Einsatz von Röntgenstrahlung für die Bildgebung in der Medizintechnik gibt es verschiedene Anwendungsfälle, bei denen eine Modulation der Röntgenstrahlung bzw. der Strahlungsleistung innerhalb verschiedener Zeitspannen wünschenswert ist. So passt man beispielsweise bei der Röntgencomputertomographie, insbesondere bei der Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen von nicht rotationssymmetrischen Messobjekten die Röntgenstrahlung an den jeweils durchstrahlten Körperquerschnitt an.
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Ein weiterer Anwendungsfall für die Modulation von Röntgenstrahlung bei der Röntgencomputertomographie findet sich bei Computertomographiegeräten mit zwei Röntgensystemen, welche um ca. 90° relativ zueinander versetzt an dem rotierenden Teil der Gantry angeordnet sind. Um zu vermeiden, dass mit dem Röntgendetektor des einen Röntgensystems durch den Betrieb der Röntgenstrahlenquelle des anderen Röntgensystems erzeugte Röntgenstreustrahlung detektiert wird, soll während des Auslesens von Messdaten des Röntgendetektor des einen Röntgensystems die Emission von Röntgenstrahlung durch die Röntgenstrahlenquelle des anderen Röntgensystems unterbunden werden. Die Modulation der Röntgenstrahlung besteht hier in einer zeitweisen Abschaltung der Röntgenstrahlung oder einem zeitweisen Unterbinden von Röntgenstrahlung.
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Die Modulation der Röntgenstrahlung erfolgt zumeist durch einen entsprechenden Betrieb der die Röntgenstrahlung erzeugenden Röntgenröhre, wobei bevorzugt die Heizleistung des zur Emission von Elektronen verwendeten thermischen Elektronenemitters zum Erzeugen und Sperren des Elektronenstrahls variiert wird. Die schnellste Ansprechzeit der Röntgenröhre bzw. des Elektronenemitters der Röntgenröhre ist demnach durch die thermische Trägheit des Elektronenemitters begrenzt. Mit diesem Vorgehen der Variation der Heizleistung ist es beispielsweise bezugnehmend auf das zuvor erwähnte, ein Computertomographiegerät mit zwei Röntgensystemen betreffende Beispiel aufgrund der thermischen Trägheit des Emitters problematisch, während des kurzen Auslesens von Messdaten des Röntgendetektors des einen Röntgensystems die Emission von Röntgenstrahlung durch die Röntgenstrahlenquelle des anderen Röntgensystems zu unterbinden und nach dem Auslesen sofort wieder Röntgenstrahlung mit der Röntgenstrahlenquelle des anderen Röntgensystems zu applizieren.
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In der
US 2004/0114722 A1 ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung beschrieben, welche eine Kathodenelektrode, eine Gitterelektrode, eine Fokuselektrode, eine Anode und einen ohmsche Widerstände umfassenden Spannungsteiler aufweist, welcher Spannungsteiler eine an die Anode angelegt Röhrenspannung teilt, um eine an die Fokuselektrode anzulegende Fokusspannung zu erzeugen.
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Aus der
WO 2008/155715 A2 ist eine Vorrichtung zur schnellen Dosismodulation von Röntgenstrahlung bekannt, bei der ein Elektronenstrahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, welche zur Durchstrahlung eines Objektes verwendet werden soll, auf einen ersten Bereich einer Anode trifft und bei der der Elektronenstrahl mit Hilfe von Ablenkmitteln auf einen zweiten Bereich der Anode abgelenkt wird, wenn kein Objekt durchstrahlt werden soll.
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In der
US 4,104,526 A ist eine Vorrichtung beschrieben, die eine Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und ein Steuergitter zur Modulation oder zur Unterdrückung des Elektronenstrahls aufweist. Die Vorrichtung umfasst außerdem Mittel zur Erfassung des Anodenstroms als Maßeinheit für die aktuelle Erzeugung von Röntgenstrahlung, welcher Anodenstrom zur Steuerung der Potentialdifferenz zwischen der Kathode und dem Steuergitter herangezogen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass die Erzeugung und Unterbindung der Erzeugung von Röntgenstrahlung möglichst schnell erfolgen kann. Außerdem soll eine geeignete Röntgenstrahlenquelle angegeben werden.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektronenstrahls für die Erzeugung von Röntgenstrahlung, aufweisend einen an eine Emitterspannung legbaren Emitter von Elektronen zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Blende, wenigstens zwei, der Blende zugeordnete Steuermittel zur Beeinflussung des Elektronenstrahls und Schaltmittel, mit denen an die wenigstens zwei Steuermittel wenigstens zwei verschiedene elektrische Spannungen anlegbar sind, wobei aber an den Steuermitteln zu einem Zeitpunkt jeweils die gleiche elektrische Spannung anliegt, und wobei der Verbindungsleitung des einen Steuermittels mit den Schaltmitteln zur Umschaltung der Spannung eine beim Umschalten der Spannung die Einstellung der jeweiligen Spannung an dem einen Steuermittel zeitlich verzögernde elektrische Schaltung zugeordnet ist.
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Die Vorrichtung funktioniert derart, dass der Betrag der Emitterspannung größer als der Betrag der ersten an den beiden Steuermitteln angelegten Spannung ist, so dass der Elektronenstrahl im stationären Zustand auf ein Röntgentarget bzw. eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung trifft. Zur Beeinflussung des Elektronenstrahls bzw. zur Modulation der Röntgenstrahlung wird durch einen Schaltvorgang an den Steuermitteln zur Beeinflussung des Elektronenstrahls eine zweite Spannung angelegt, wobei diese zweite Spannung einen Betrag aufweist, der größer ist als die Emitterspannung. Nach dem unmittelbaren Umschalten auf die zweite Spannung stellt sich diese an dem einen Steuermittel bedingt durch die elektrische Schaltung verzögert ein, während sie an dem anderen Steuermittel quasi unmittelbar anliegt. Diese verzögerte Einstellung führt dazu, dass der Elektronenstrahl durch die Steuermittel zur Beeinflussung des Elektronenstrahls in einem ersten Schritt zunächst abgelenkt wird und bevorzugt auf die Blende trifft, der die Steuermittel zugeordnet sind. Dieses Ablenken des Elektronenstrahls erfolgt sehr schnell, so dass die Erzeugung von Röntgenstrahlung entsprechend schnell unterbrochen werden kann. In einem zweiten Schritt, der wie der erste Schritt durch das Umschalten auf die zweite Spannung bzw. das verzögerte Einstellen der zweiten Spannung an dem einen Steuermittel automatisch abläuft, wird der Elektronenstrahl vorzugsweise vollständig gesperrt, wenn die Einstellung der zweiten Spannung auch an dem einen Steuermittel abgeschlossen ist. Die Sperrung des Elektronenstrahls beruht auf der Potential- bzw. der Spannungsdifferenz zwischen Emitter und Steuermitteln.
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Um erneut Röntgenstrahlung erzeugen zu können, wird wieder von der zweiten auf die erste Spannung umgeschaltet, deren Betrag kleiner als der Betrag der Emitterspannung ist. Auch in diesem Fall stellt sich die erste Spannung bedingt durch die elektrische Schaltung verzögert an dem einen Steuermittel ein, während sie an dem anderen Steuermittel quasi unmittelbar anliegt. Durch die Umschaltung auf die erste Spannung wird der Elektronenstrahl nicht mehr gesperrt. Durch die verzögerte Einstellung der ersten Spannung an dem einen Steuermittel wird der Elektronenstrahl aber zunächst bevorzugt auf die Blende abgelenkt. Ist die Einstellung der ersten Spannung auch an dem einen Steuermittel abgeschlossen, trifft der Elektronenstrahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlung wieder auf das Röntgentarget bzw. auf die Anode.
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Mit der Vorrichtung ist also eine schnelle Steuerung des Elektronenstrahls zur Erzeugung und zur Unterbindung der Erzeugung von Röntgenstrahlung möglich, wobei insbesondere durch die Ablenkung des Elektronenstrahls bevorzugt auf die Blende eine schelle Abschaltung der Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgen kann. Die anschließende Sperrung des Elektronenstrahls muss im Übrigen nicht notwendigerweise möglichst schnell erfolgen. Hier ist es vielmehr von Bedeutung, die Defokussierung des Elektronenstrahls und damit das Erzeugen unerwünschter Röntgenstrahlung durch das ungesteuerte Auftreffen von Elektronen auf die Anode gering zu halten. Durch das vorzugsweise vollständige Sperren des Elektronenstrahls wird weiterhin verhindert, dass die Blende hohe thermische Anforderungen erfüllen muss, was der Fall wäre, wenn der Elektronenstrahl für eine Unterbindung der Erzeugung von Röntgenstrahlung nur auf die Blende abgelenkt werden würde. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung trifft der Elektronenstrahl hingegen nur so lange auf die Blende, bis die zweite Spannung an dem einen Steuerelement vorliegt, so dass der Elektronenstrahl gesperrt ist. Bei einer Modulation der Röntgenstrahlung durch Pulsweitenmodulation ist der Energieeintrag in die Blende pro Zyklus durch den Elektronenstrahl stets konstant und insbesondere auch unabhängig von der Pulsweite.
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Bei dem Emitter von Elektronen kann es sich um einen Feldemitter, eine sogenannte kalte Kathode, oder auch um einen geheizten Emitter handeln, wobei an den Emitter jeweils eine Emitterspannung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls anlegbar ist. Die Emitterspannung fällt zwischen dem Emitter und der Anode oder einer weiteren Elektrode ab, wenn der Emitter und die weitere Elektrode eine sogenannte Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls bilden.
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Nach einer Variante der Erfindung weist die Blende eine Öffnung zum Durchtritt des Elektronenstrahls auf. Eine solche Lochblende ermöglicht insbesondere ein schnelles Blockieren des Elektronenstrahls. Während der Elektronenstrahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ungehindert durch die Öffnung der Blende tritt und auf ein Röntgentarget bzw. eine Anode trifft, kann dieser durch ein Umschalten der Spannung an den Steuermitteln schnell auf die Blende abgelenkt und somit blockiert werden, so dass auch die Erzeugung von Röntgenstrahlung unterbunden wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die die Einstellung der jeweiligen Spannung an dem einen Steuermittel zeitlich verzögernde elektrische Schaltung einen ohmschen Widerstand und eine Kapazität auf. Vorzugsweise ist der ohmsche Widerstand in die Verbindungsleitung zwischen dem Schaltmittel und dem einen Steuermittel geschaltet. Die Kapazität ist nach einer Variante der Erfindung zwischen die Verbindungsleitung des einen Steuermittels mit dem Schaltmittel und einer Zuleitung geschaltet, mit der die Emitterspannung an den Emitter anlegbar ist. Die Größe des Widerstandes sowie der Wert der Kapazität sind unter anderem in Abhängigkeit von der gewünschten zeitlichen Verzögerung der Einstellung der Spannung an dem einen Steuerelement zu wählen.
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Varianten der Erfindung sehen vor, dass die wenigstens zwei der Blende zugeordneten Steuermittel Elektroden sind und dass ein Steuermittel mit der Blende elektrische verbunden ist, so dass auch an der Blende jeweils die an dem Steuermittel angelegte Spannung anliegt.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist der Betrag der ersten Spannung kleiner und der Betrag der zweiten Spannung größer als der Betrag der Emitterspannung, wodurch eine Sperren und ein Freigeben des Elektronenstrahls möglich ist.
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Die die Röntgenröhre betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Röntgenröhre aufweisend eine vorstehend beschriebene Vorrichtung. Vorzugsweise sind der Emitter, die Blende und die Steuermittel der Vorrichtung zusammen mit einer Anode in einem Vakuumgehäuse der Röntgenröhre angeordnet.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Elektronenstrahls für die Erzeugung von Röntgenstrahlung, bei dem ein infolge einer an einen Emitter von Elektronen gelegten Emitterspannung erzeugter Elektronenstrahl zur Modulation der Röntgenstrahlung wahlweise durch eine Öffnung einer Blende zu einer Anode hindurchgeleitet oder an einer Blende zu einer Anode vorbeigeleitet oder auf die Blende abgelenkt und blockiert wird, indem bei einem Schaltvorgang, bei dem an wenigstens zwei der Blende zugeordneten Steuermitteln zur Beeinflussung des Elektronenstrahls die gleiche Spannung angelegt wird, die Einstellung der Spannung an einem der Steuermittel zeitlich verzögert wird. Das Verfahren wird bevorzugt mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Varianten des Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu dem Verfahren angegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1–7 eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektronenstrahls in verschiedenen Betriebszuständen während eines Schaltzyklus und
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8 eine Röntgenröhre aufweisend eine in den 1–7 dargestellte Vorrichtung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung und zur Steuerung eines Elektronenstrahls für die Erzeugung von Röntgenstrahlung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Elektronenemitter 1, eine zwischen dem Elektronenemitter 1 und einer in 1 nicht gezeigten Anode angeordnete Blende 2, zwei Elektroden 3 und 4, eine elektrische Schaltung 5 sowie Schaltmittel in Form eines Schalters 6.
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Bei der Blende 2 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung um eine scheibenförmige Lochblende 2 mit einer Öffnung 7. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Lochblende 2 mit der Elektrode 4 elektrisch verbunden.
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Der Elektronenemitter 1, bei dem es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung um einen Feldemitter handelt, also einen Emitter, der infolge eines elektrischen Feldes Elektronen emittiert, ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Zuleitung 8 an eine Spannung von UE = –120 kV gelegt, die zwischen dem Elektronenemitter 1 und der Anode abfällt. Alternativ kann der Emitter auch ein geheizter Emitter sein.
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Die erste Elektrode 3 ist mit einer Verbindungsleitung 9 direkt mit dem Schalter 6 verbunden. Die zweite Elektrode 4 ist mit einer Verbindungsleitung 10 ebenfalls mit dem Schalter 6 verbunden. Der Verbindungsleitung 10 ist die elektrische Schaltung 5 zugeordnet, wobei ein ohmscher Widerstand R der elektrischen Schaltung 5 in die Verbindungsleitung 10 und eine Kapazität zwischen die Verbindungsleitung 10 und die Zuleitung 8 geschaltet sind.
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Mit dem Schalter 6 kann im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung zwischen der Spannung U1 = –119 kV und der Spannung U2 = –121 kV umgeschaltet werden. Wenn auf die Spannung U1 geschaltet ist, liegt diese sowohl an der Elektrode 3 als auch an der Elektrode 4 an. Wenn auf die Spannung U2 geschaltet ist, liegt diese ebenfalls sowohl an der Elektrode 3 als auch an der Elektrode 4 an.
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In 1 sind die Elektroden 3 und 4 beide an die Spannung U1 gelegt. Infolge der Emitterspannung UE, deren Betrag größer als der Betrag der Spannung U1 ist, emittiert der Elektronenemitter 1 Elektronen, die sich in einem durch die Öffnung 7 der Lochblende 2 hindurchtretenden Elektronenstrahl 11 in Richtung auf die nicht dargestellte Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bewegen. In 1 ist zusätzlich ein Spannungs-Zeit-Diagramm gezeigt, aus dem ersichtlich ist, dass die Spannung an der Elektrode 3, veranschaulicht durch die durchgehende Linie, und die Spannung an der Elektrode 4, veranschaulicht durch die gestrichelte Linie, gleich und im stationären Zustand sind.
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In einem in 2 veranschaulichten ersten Schritt wird mit dem Schalter 6 von der Spannung U1 auf die Spannung U2 umgeschaltet, die kleiner bzw. hinsichtlich ihres Betrages größer als die Emitterspannung UE ist. Während die Spannung U2 nach dem Schaltvorgang praktisch unmittelbar an der Elektrode 3 anliegt, wird deren Einstellung an der Elektrode 4 durch die elektrische Schaltung 5 verzögert, was in dem Spannungs-Zeit-Diagramm von 2 gezeigt ist. Dadurch kommt es für eine kurze Zeit zunächst zu einer Ablenkung des Elektronenstrahls 11 auf die Lochblende 2, wodurch der Elektronenstrahl 11 in gewünschter Weise bereits für die Erzeugung von Röntgenstrahlung gesperrt wird. Das schnelle Ablenken des Elektronenstrahls 11 verhindert dabei, dass durch eine andernfalls auftretende allmähliche Aufweitung des Elektronenstrahls Elektronen in unerwünschter Weise auf die Anode treffen und Röntgenstrahlung und zwar eine sogenannte Extrafokalstrahlung erzeugen würden.
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Hat sich bedingt durch die Widerstandsschaltung die Spannung U2 zeitlich verzögert, aber schließlich in voller Höhe an der Elektrode 4 und der Lochblende 2 eingestellt, was den Spannungs-Zeit-Diagrammen der 3 und 4 in zeitlicher Abfolge entnommen werden kann, wird der Elektronenstrahl 11 infolge der nun stationären Potentialdifferenz zwischen dem Elektronenemitter 1 und den Elektroden 3 und 4 sowie der Lochblende 2 vollständig geblockt, d. h. es trifft kein Elektronenstrahl bzw. es treffen keine Elektronen auf die Lochblende 2. Die Lochblende 2 muss also nur in der kurzen Zeit zwischen Ablenkung des Elektronenstrahls 11 und dessen Blockierung eine gewisse Leistung aufnehmen, so dass keine hohen thermischen Anforderungen an die Lochblende 2 gestellt werden müssen.
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Soll erneut Röntgenstrahlung erzeugt werden, wird mit dem Schalter 6 wieder auf die Spannung U1 geschaltet. Während mit dem Umschalten die Spannung U1 praktisch unmittelbar an der Elektrode 3 anliegt, verzögert sich die Einstellung der Spannung U1 an der Elektrode 4 wieder infolge der elektrischen Schaltung 5. Mit dem Umschalten auf die betragsmäßig kleinere Spannung U1 beginnt sich wie in 5 veranschaulicht der Elektronenstrahl 11 erneut auszubilden, wobei der Elektronenstrahl 11, wie in 6 gezeigt, zunächst auf die Lochblende 2 trifft, solange die Spannung U1 noch nicht vollständig an der Elektrode 4 anliegt.
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Liegt die Spannung U1 auch vollständig an der Elektrode 4 an, ergibt der in 7 gezeigte Betriebszustand, welcher dem in 1 gezeigten Betriebszustand entspricht, nämlich das der Elektronenstrahl 11 durch die Öffnung 7 der Lochblende tritt und auf eine nicht gezeigte Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung trifft.
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Die 1 bis 7 veranschaulichen in den Spannungs-Zeit-Diagrammen einen Schaltzyklus zur Modulation des Elektronenstrahls 11, wobei die durchgehende Linie die Einstellung bzw. den Spannungsverlauf über der Zeit der an der Elektrode 3 anliegenden Spannung und die gestrichelte Linie die Einstellung bzw. den Spannungsverlauf über der Zeit der an der Elektrode 4 anliegenden Spannung zeigt. Ein solcher Schaltzyklus kann beispielsweise eine Zykluslänge von ca. 200 μ-Sekunden haben, wobei die Zeit zwischen der Ablenkung und dem Blockieren des Elektronenstrahls ca. 5 μ-Sekunden beträgt. Angenommen es bestünde eine Potentialdifferenz zwischen Elektronenemitter 1 und Lochblende 2 von 10 kV und es würde ein Elektronenstrom von ca. 1 Ampere fließen, so ergäbe sich für die Lochblende 2 in den 5 μ-Sekunden von der Ablenkung bis zum Blockieren des Elektronenstrahls 11 ein mittlerer Leistungseintrag von ca. 250 Watt.
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In 8 ist die Vorrichtung der 1 bis 7 als Teil einer eine Anode 12 aufweisenden Röntgenröhre 13 gezeigt. Die Vorrichtung und die Anode 12 sind in einem Vakuumgehäuse 14 der Röntgenröhre 13 angeordnet. Die Beschaltung der Röntgenröhre 13, insbesondere die Beschaltung der Vorrichtung ist in 8 nicht nochmals explizit gezeigt.
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Die vorstehende Beschreibung der Erfindung ist im Übrigen nur exemplarisch zu verstehen. So ist der Feldemitter 1 nur schematisch dargestellt und kann auch anders ausgeführt sein. Die Elektroden 3 und 4 können als flache oder gekrümmte, insbesondere als halbreisförmig gekrümmte Elektrodenplatten ausgeführt sein.
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Bei der Blende 2 muss es sich nicht notwendigerweise um eine Lochblende handeln. Die Blende kann auch derart ausgeführt sein, dass der Elektronenstrahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlung an der Blende vorbeigeführt und zum Blockieren des Elektronenstrahls auf die Blende abgelenkt wird.
