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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Elektronenstrahls bei einer Röntgenröhre.
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Bei einer Röntgenröhre werden mit einer beheizbaren Kathode, welche einen Emitter aufweist, Elektronenstrahlen erzeugt, die zu einer als Target dienenden Anode beschleunigt werden und dort beim Auftreffen in einem Brennfleck Röntgenstrahlen erzeugen. Die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung wird dabei durch den von den Elektronen transportierten Strom, d. h. die pro Zeiteinheit auf die Anode auftreffenden Elektronen bestimmt. Insbesondere bei der Computertomographie tritt die Anforderung auf, den durch den Elektronenstrahl gebildeten Strom innerhalb von wenigen Millisekunden oder sogar Mikrosekunden in seiner Stärke zu variieren.
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Üblicherweise kann dieser Strom mittels Temperaturänderungen des Emitters gesteuert werden. Zwar treten beim Erhöhen des Stromes nur Zeitkonstanten von einigen Millisekunden auf, beim Senken des Stromes betragen diese jedoch über 100 ms.
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Alternativ hierzu kann der Strom auch mit Hilfe eines sogenannten Wehnelt-Zylinders gesteuert werden. Bei einem solchen Wehnelt-Zylinder handelt es sich um eine typischerweise zylinderförmige Steuerelektrode, die in unmittelbarer Nähe zum Emitter angebracht und mit einem negativen elektrischen Potenzial gegenüber dem Emitter versehen wird. Durch Einstellen dieses Potenzials verändert sich die Anzahl der Elektronen, die dieses Potenzial überwinden können und somit die Stärke des resultierenden Stromes. Mit dem Wehnelt-Zylinder können jedoch nur relativ kleine Ströme gesteuert werden.
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Ferner bieten gitterförmige Steuerelektrodenanordnungen eine weitere Alternative zur Steuerung des Stromes. Derartige Anordnungen sind bisher aus der Beschleunigertechnologie bekannt. Hierbei tritt das Problem auf, dass die aus dem Emitter austretenden und auf die Steuerelektroden treffenden Elektronen diese stark erwärmen können, was bis zur Zerstörung der Steuerelektroden führen kann. Es wird daher in einem Pulsbetrieb gearbeitet, wobei die Emissionszeiten des Emitters nur wenige Prozent eines Betriebszyklus betragen, Beispielsweise bei einem Pulsstrom von 1 A mit einer Emissionszeit von 1,5% und Pulsfrequenzen im kHz-Bereich reduziert sich der mittlere Strom auf 15 mA, was für die Anwendung beispielsweise in der Computertomographie jedoch zu wenig ist. Außerdem wird durch die an der Anode anliegende hohe Beschleunigungsspannung und das dadurch hervorgerufene elektrische Feld die Steuerwirkung der gitterförmigen Steuerelektrodenanordnung beeinflusst. Diese Einwirkung der Beschleunigungsspannung auf das durch die Steuerelektroden verursachte Feld wird als Felddurchgriff bezeichnet.
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Aus der
US 40 07 375 A und der
DE 35 14 700 A1 sind Elektrodenanordnungen bekannt, mit deren Hilfe ein Elektronenstrahl in einer Röntgenröhre gesteuert wird. Die Elektrodenanordnungen umfassen jeweils eine in der Nähe einer Kathode angeordnete Emitter- oder Kontrollelektrode, eine Steuerelektrode und mindestens eine Fokussier- oder Beschleunigungselektrode.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine schnelle Steuerung eines Elektronenstrahls zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 13. Die in Bezug auf die Vorrichtung aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren übertragen.
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Unter Steuerung des Elektronenstrahls wird hierbei eine Steuerung des durch den Elektronenstrahl verursachten Röhrenstroms verstanden, weiterhin einfach als Strom bezeichnet. Es erfolgt dabei eine Veränderung sowohl des Emissionsprofils als auch der Anzahl die pro Zeiteinheit zur Anode transportierten Elektronen, d. h. der Stromstärke.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung und Steuerung des Elektronenstrahls bei einer Röntgenröhre umfasst eine einen Emitter aufweisende Kathode und eine Anode, zwischen denen der Elektronenstrahl beschleunigt wird. Die Kathode befindet sich auf einem Kathodenpotential, welches niedriger ist als Anodenpotential, so dass die von der Kathode gelösten Elektronen in Richtung zur Anode fließen. Typischerweise ist in einer Röntgenröhre zwischen Kathode und Anode eine Spannung von ca. 140 kV angelegt. Dabei kann beispielsweise eine „zweipolige” Anordnung vorgesehen sein, bei der das Potential der Anode –70 kV und das der Anode +70 kV beträgt. Alternativ liegt eine „einpolige” Anordnung vor, bei der die Kathode auf –140 kV und die Anode auf Masse-Potential (0 kV) liegt. Möglich ist auch der umgekehrte Fall, bei dem die Kathode auf Masse-Potential und die Anode auf +140 kV liegt.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Blendenanordnung aus mehreren Blenden, die in Strahlrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Blenden, die Kathode und die Anode werden von einer Steuereinheit angesteuert, die im Betrieb der Röntgenröhre dafür ausgelegt ist, die Blenden mit unterschiedlichem, teilweise variierendem elektrischen Potential zu belegen.
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In unmittelbarer Nähe der Kathode und insbesondere auf der Kathode aufliegend ist eine Emitterblende vorgesehen, durch welche das Emittieren der an den Rändern des Emitters austretenden Elektronen kontrolliert wird. Die Emitterblende weist gegenüber dem Kathodenpotential ein niedrigeres Potential auf. Vorzugsweise ist das Potential der Emitterblende um einige 100-Volt kleiner als das Kathodenpotential, insbesondere 100 V bis 500 V kleiner als das Kathodenpotential.
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Anschließend wird die Stärke des Elektronenstrahls über eine Steuerblende variiert, deren Potential in einem Bereich steuerbar ist, der sich zwischen dem Kathodenpotential und einem bezüglich des Kathodenpotentials niedrigeren Potential erstreckt. Dies bedeutet, dass das maximale Potential, mit dem die Steuerblende beaufschlagt wird, dem Kathodenpotential entspricht. In diesem Fall bildet die Steuerblende kein Hindernis auf dem Weg der Elektronen zwischen Kathode und Anode und es stellt sich ein „Vollstrom” ein. Das Potential der Steuerblende kann außerdem kleiner als das Kathodenpotential eingestellt werden, wobei dieses kleinere Potential bevorzugt um einige Kilovolt oder einige 10-Kilovolt kleiner als das Kathodenpotential ist und insbesondere 5 kV bis 20 kV kleiner als das Kathodenpotential ist. Wenn die Steuerblende auf einem Potential liegt, welches kleiner ist als das der Kathode, bildet das Potential der Steuerblende ein absolutes Minimalpotential in der Röntgenröhre. Dabei gilt, je größer die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Steuerblende, umso mehr Elektronen werden von der Steuerblende abgestoßen, die Anzahl der Elektronen, die durch die Steuerblende durchgehen, wird kleiner und die Stromstärke des Elektronenstrahls wird dabei reduziert.
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Schließlich wird der Elektronenstrahl durch eine Abschirmblendenanordnung geführt, wobei die Abschirmblendenanordnung in Strahlrichtung eine erste Abschirmblende und eine zweite Abschirmblende umfasst, wobei das Potential der ersten Abschirmblende kleiner ist als das Potential der zweiten Abschirmblende. Die Abschirmblendenanordnung weist ein gegenüber dem Kathodenpotential höheres Potential auf, d. h. die Abschirmblendenanordnung ist auch gegenüber der Steuerblende auf einem höheren Potential und zieht somit die Elektronen an, defokussiert also den durch die Steuerblende (Sperrvorrichtung) stark überfokussierten Elektronenstrahl und beschleunigt diesen anschließend. Die Abschirmblendenanordnung wird mit einem Potential um einige Kilovolt oder einige 10-Kilovolt größer als das Kathodenpotential und insbesondere 5 kV bis 50 kV größer als das Kathodenpotential beaufschlagt. Die Abschirmblendenanordnung schirmt überdies die Anode ab, deren Potential das absolute Maximalpotential in der Röntgenröhre ist, ermöglicht so das Funktionieren der Steuerblenden und gewährleistet außerdem einen möglichst parallel verlaufenden Elektronenstrahl, der zur weiteren Fokussierung z. B. durch ein nachgeschaltetes magnetisches Quadrupolsystem besonders geeignet ist. Die erste Abschirmblende dient hierbei zur Abschirmung des großen Potentials der zweiten Abschirmblende, denn sonst wäre ein Felddurchgriff, d. h. die Beeinflussung des Elektronenstrahls im Bereich der Steuerblende durch das elektrische Feld der zweiten Abschirmblende und der Anode, zu groß.
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Durch den Einsatz der Blendenanordnung wird ermöglicht, dass der Elektronenstrahl und somit der Röhrenstrom einzig durch elektrostatische Hilfsmittel, d. h. durch das Zusammenspiel der elektrischen Potentiale der Blenden der Blendenanordnung sehr schnell variiert wird. Die zeitlichen Beschränkungen, die sich bei einer Steuerung des Elektronenstrahls durch eine Temperaturveränderung der Kathode ergeben, entfallen dabei. Die Einstellung des Elektronenstroms durch die Blendenanordnung erfolgt durch das Anlegen einer gewählten Spannung zwischen der Steuerblende und der Kathode und eine koordinierte Anpassung der elektrischen Potentiale der weiteren Blenden.
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Ein weiterer Vorteil ist außerdem, dass die Blendenanordnung bei großflächigen Emittern einsetzbar ist, insbesondere mit Emittern mit einer Fläche über 40 mm2, wie z. B. Emittern mit Dimensionen 7 × 7 mm oder 8 × 8 mm.
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Weiterhin weist die Vorrichtung den Vorteil auf, dass bei den unterschiedlichen in der Röntgenröhre erzeugten Strömen die Größe des Brennflecks (das Gebiet auf der Anode, auf das die Elektronen auftreffen) sich nur unwesentlich verändert, da durch die eben beschriebene Blendenanordnung gewährleistet wird, dass nachfolgende Fokussierungselemente (hier: magnetische Quadrupole) optimal wirken können. Es wird unabhängig von der Stromstärke des Elektronenstrahls ein relativ kleiner Brennfleck erzeugt, der eine gute Ortsauflösung bei den mittels der Röntgenröhre generierten Röntgenaufnahmen zur Folge hat.
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Zweckdienlicherweise steht das Potential der ersten Abschirmblende zum Potential der zweiten Abschirmblende in einem Verhältnis von 1:1,5 bis 1:5. Bevorzugt ist hierbei das Potential der ersten Abschirmblende um einige Kilovolt größer als das Kathodenpotential und insbesondere ca. 5 kV bis 15 kV größer als das Kathodenpotential. Die zweite Abschirmblende, deren Potential um einige 10-Kilovolt größer als das Kathodenpotential und insbesondere 10 kV bis 50 kV größer als das Kathodenpotential ist, beschleunigt die die Steuerblende passierenden Elektronen und schirmt die Anode ab. Das Potential der zweiten Abschirmblende liegt dabei bevorzugt bei ca. 5% bis 25% der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode, insbesondere bei etwa 20% der Röhrenspannung.
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Nach einer bevorzugten Variante ist die Abschirmblendenanordnung in Abhängigkeit vom Potential der Steuerblende in entgegengesetzte Richtung steuerbar. Zur Erhöhung der Stromstärke wird das Potential der Steuerblende reduziert und das Potential der Abschirmblendenanordnung wird erhöht. Es überwinden dabei immer mehr Elektronen die Steuerblende und werden anschließend von der Abschirmblendenanordnung beschleunigt und der Elektronenstrahl wird aufgeweitet. Umgekehrt, zur Reduzierung der Stromstärke des Röhrenstroms wird das Potential der Steuerblende erhöht und das Potential der Abschirmblendenanordnung wird reduziert.
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Wenn zwei Abschirmblenden vorgesehen sind, weist nach einer weiteren bevorzugten Variante die erste Abschirmblende ein im Wesentlichen konstantes Potential auf und die zweite Abschirmblende ist in Abhängigkeit von dem Potential der Steuerblende in entgegengesetzte Richtung steuerbar. Diese Variante ist in Hinblick auf eine einfache Steuerung besonders vorteilhaft, da das Potential an lediglich einer der beiden Abschirmblenden variiert wird.
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Bevorzugt ist die Blendenanordnung zum Einstellen eines Röhrenstroms zwischen der Kathode und der Anode im Bereich von einigen 10 mA bis 1500 mA, insbesondere von 100 mA bis 1500 mA, ausgebildet. Die Steuereinheit steuert die Blenden derart an, dass mittels der Blendenanordnung auch große Ströme generiert werden, die im Bereich über 1000 mA sind.
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Vorzugsweise ist der Emitter ein thermischer Flachemitter, da dieser zur Erzeugung von hohen Stromstärken besonders geeignet ist.
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Vorteilhafterweise weist die Blendenanordnung eine Erstreckungslänge auf, die ca. 3 cm beträgt. Der Abstand zwischen Kathode und Anode kann im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenröhren sehr groß sein, z. B. 15 cm, somit erstreckt sich die Blendenanordnung mit ihrem kompakten Aufbau über einen relativ kleinen Teil der Strecke zwischen der Kathode und der Anode, so dass der Blendenanordnung problemlos ein magnetisches Quadrupolsystem nachgeschaltet werden kann.
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Weiterhin von Vorteil ist, dass die Blenden jeweils eine einzige Öffnung mit einem Querschnitt von ca. 1 cm2 aufweisen. Im Gegensatz zu den bekannten Gittern, die zur Steuerung der Elektronenemission in der Beschleunigertechnologie verwendet werden, sind die Blenden vorzugsweise nach Art von massiven, insbesondere runden Körpern ausgebildet, deren Durchmesser wenige Zentimeter groß ist. Zum Durchlassen des Elektronenstrahls weisen sie mittig angeordnet die Öffnung auf, deren Größe insbesondere mit der Größe des Emitters korreliert ist. Die Öffnung weist beispielsweise einen runden oder einen quadratischen bzw. rechteckigen Querschnitt auf.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und teilweise stark vereinfacht:
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1 in einer Seitenansicht eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektronenstrahls,
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2 in einer perspektivischen Darstellung eine Kathode mit einer Emitterblende, und
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3 in einer perspektivischen Darstellung eine Kathode mit einer Blendenanordnung.
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In den verschiedenen Figuren haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Elektronenstrahls 8 in einer nicht näher gezeigten Röntgenröhre dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kathode 2 sowie eine Anode 4. Die Kathode 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine beheizbare Kathode mit einem Flächenemitter 6 (siehe 2), der einen Elektronenstrahl 8 erzeugt. Die Anode 4 ist eine Drehanode, die um eine Drehachse D rotierbar ist. Zwischen der Kathode 2 und der Anode 4 ist eine Spannung von ca. 140 kV angelegt, so dass der Elektronenstrahl 8 in Richtung Anode 4 beschleunigt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Kathode 2 auf einem negativen Kathodenpotential von –140 kV und die Anode 4 liegt auf einem Anodenpotential von 0 kV. Möglich ist auch, dass die Kathode 2 auf 0 kV und die Anode 4 auf +140 kV liegt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Blendenanordnung 10 zur Steuerung des Elektronenstrahls 8. Die Blendenanordnung 10 ist hierbei aus vier Blenden 12, 14, 16, 18 zusammengesetzt und erstreckt sich auf eine Erstreckungslänge E von ca. 3 cm. Da der Abstand zwischen der Kathode 2 und der Anode 4 etwa 15 cm beträgt, steht somit in einer Strahlrichtung S hinter der Blendenanordnung 10 ausreichend Platz zur Verfügung für ein Quadrupolsystem zur weiteren Fokussierung des Elektronenstrahls 8.
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Alle vier Blenden 12, 14, 16, 18 sind scheibenförmig und weisen jeweils eine einzige Öffnung 20 zum Durchlassen des Elektronenstrahls 8 auf. Die Öffnungen 20 sind rechteckig und weisen einen Querschnitt von ca. 1 cm2 auf, wobei eine Länge L (erstreckt sich in Radialrichtung der Drehanode 4) kleiner ist als eine Breite B der Öffnungen 20. Diese Ausgestaltung der Öffnungen 20 ist in Hinblick auf eine weitere Fokussierung des Elektronenstrahls 8 nach der Blendenanordnung 10 mittels eines nicht abgebildeten Quadrupolsystems besonders geeignet, da der Elektronenstrahl 8 durch das Quadrupolsystem in der Breite fokussiert und in der Länge defokussiert wird. Der Effekt des Quadrupolsystems wird somit durch die rechteckige Ausgestaltung der Öffnung 20 mit der Bedingung B > L kompensiert.
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Weiterhin ist eine Steuereinheit 21 vorgesehen, die dafür ausgebildet ist, die Blenden 12, 14, 16, 18 mit elektrischem Potential zu beaufschlagen bzw. die elektrischen Potentiale in der Röntgenröhre zu steuern. Die elektrischen Potentiale der einzelnen Blenden 12, 14, 16, 18 unterschieden sich voneinander und können im Betreib der Röntgenröhre konstant gehalten werden oder variieren. Die Steuereinheit 21 steuert außerdem die Potentiale der Kathode und die Anode.
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Direkt an der Kathode 2 ist eine Emitterblende 12 angeordnet, die aus 2 ersichtlich ist. Die Emitterblende 12 ist auf einem elektrischen Potential, der gegenüber dem Kathodenpotential um 200 V niedriger ist und verhindert ein unkoordiniertes Austreten von Elektronen im Randbereich des Emitters 6.
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In Strahlrichtung S hinter der Emitterblende 12 ist eine Steuerblende 14 angeordnet. Das Potential der Steuerblende ist hierbei variabel und kann zwischen –140 kV (entspricht dem Kathodenpotential) und –150 kV (also um 10 kV kleiner das Kathodenpotential) liegen.
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Die Steuerblende 14 ist von einer Abschirmblendenanordnung 22 gefolgt, welche eine erste Abschirmblende 16 und eine zweite Abschirmblende 18 umfasst. Das Potential jeder der Abschirmblenden 16, 18 ist höher als das der Kathode 2. Die erste Abschirmblende 16 weist beispielweise ein Potential von –133 kV auf, welches um 7 kV höher ist als das Kathodenpotential. Die zweite Abschirmblende 18 ist mit einem deutlich höheren, variablen Potential beaufschlagt, nämlich um bis zu 30 kV höher als das Kathodenpotential. Dabei gilt, dass die erste Abschirmblende 16 stets auf einem niedrigeren Potential als die zweite Abschirmblende 18 liegt, so dass die erste Abschirmblende 16 die zweite Abschirmblende 18 abschirmt.
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Die Steuerung des Elektronenstrahls 8 erfolgt über das koordinierte Variieren der elektrischen Potentiale der einzelnen Blenden 12, 14, 16, 18 und zumindest der Steuerblende 14 und der zweite Abschirmblende 18. Wenn das Kathodenpotential als Nullniveau betrachtet wird, kann das Steuern des Elektronenstrahls folgendermaßen zusammengefasst werden: das Potential der Emitterblende liegt im negativen Bereich um einigen 100-Volt unter dem Nullniveau; zur Steuerung der Stromstärke wird das Potential der Steuerblende ebenfalls im negativen Bereich variiert und auf einem Wert zwischen dem Nullniveau und einigen Kilovolt unter dem Nullniveau eingestellt; die erste Abschirmblende wird zur Abschirmung der zweiten Abschirmblende mit einem gegenüber dem Kathodenpotential positiven Potential von einigen Kilovolt beaufschlagt und schließlich wird der Elektronenstrahl 8 durch die zweite Abschirmblende, deren positives Potential einige 10-Kilovolt über dem Nullniveau liegt, beschleunigt und geformt.
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Zum Beispiel zum Einstellen eines „Vollstroms” von beispielsweise 1500 mA liegt die Emitterblende 12 auf –200 V gegenüber der Kathode 2, die Steuerblende 14 liegt auf dem gleichen Potential wie die Kathode, nämlich auf –140 kV, die erste Abschirmblende 16 liegt auf –133 kV, also um 7 kV höher als das der Kathode 2, und die zweite Abschirmblende 18 ist dabei auf einem Potential 30 kV höher als das der Kathode 2. Da zwischen der Kathode 2 und der Steuerblende 14 praktisch keine Spannung angelegt ist, fließen die emittierten Elektronen unbehindert durch die Öffnung 20 der Steuerblende 14 und werden von den Abschirmblenden 16 und 18 angezogen und beschleunigt.
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Zum Erzeugen eines Röhrenstroms von 500 mA werden die Potentiale der Emitterblende 12 und der ersten Abschirmblende 16 konstant gehalten. Zwischen der Kathode 2 und der Steuerblende 14 wird eine Spannung 8 kV erzeugt, indem das Potential der Steuerblende 14 auf –148 kV gelegt wird. Durch das negative Potential der Steuerblende 14 werden ein Teil der emittierten Elektronen abgestoßen und weniger Elektronen erreichen die Abschirmblendenanordnung 10. Darüber hinaus wird das Potential der zweiten Abschirmblende 18 auf –120 kV reduziert, d. h. nur um 20 kV höher als das Kathodenpotential, so dass die Anziehungskraft, welche die Abschirmblendenanordnung 22 auf die Elektronen ausübt, geringer ist.
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Bei einer weiteren Erhöhung des gegenüber der Kathode 2 negativen Potentials der Steuerblende 14 sowie eine weitere Reduzierung der Spannung zwischen der Kathode 2 und der zweiten Abschirmblende 18 schaffen es immer weniger Elektronen die Steuerblende 14 zu überwinden und den Elektronenstrahl 8 nach der Blendenanordnung 10 zu bilden. Wenn z. B. das Potential der Steuerblende 14 um 11 kV kleiner ist als das Kathodenpotential und gleichzeitig das Potential der zweiten Abschirmblende 18 nur um 10 kV größer ist als das Kathodenpotential, bei gleichbleibenden Werten für die Emitterblende 12 und die erste Abschirmblende 16 stellt sich in der Röntgenröhre ein Strom von 200 mA ein.
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Die Steuerung des Elektronenstahls 8 durch die Blendenanordnung 10 weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Veränderung der Stromstärke sehr schnell erfolgt. Darüber hinaus unabhängig von der Stromstärke bildet sich ein relativ kleiner Brennfleck auf der Anode 4, wodurch eine gute Auflösung im Betrieb der Röntgenröhre erreicht ist.
