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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, umfassend wenigstens eine Kathode zum Erzeugen eines Elektronenstrahlenbündels, eine Anode, auf die das Elektronenstrahlenbündel auftrifft und dort einen Brennfleck bildet, so dass von dem Brennfleck ein Röntgenstrahlenbündel ausgeht, ein Austrittsfenster, durch das das Röntgenstrahlenbündel aus der Röntgenröhre austritt, und einen Rückstreuelektronenfänger, um von der Anode rückgestreute Elektronen aufzufangen. Eine derartige Röntgenröhre ist aus der Druckschrift
US 2008 / 0 112 538 A1 bekannt.
US 5 128 977 A und
US 59 95 585 A beschreiben ebenfalls Röntgenröhren mit einem Rückstreuelektronenfänger. Ferner betrifft die Erfindung eine Röntgenvorrichtung mit einer entsprechenden Röntgenröhre.
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Eine Röntgenröhre umfasst in der Regel eine Kathode und eine gegenüberliegende Anode, die in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind. Die Kathode besitzt einen Glühfaden zum Emittieren von Elektronen, wobei durch Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode die Elektronen in Richtung zur Anode beschleunigt werden. Die Elektronen treffen auf einen Bereich der Anode auf, der als Brennfleck bezeichnet wird. Beim Eindringen in die Anode werden die Elektronen abgebremst, wobei ihre kinetische Energie in Wärme und in Röntgenstrahlung (Primärstrahlung) umgewandelt wird. Die dadurch generierte Röntgenstrahlung tritt aus dem Vakuumgehäuse durch ein Austrittsfenster in Form eines Röntgenstrahlenbündels (Röntgennutzstahls) aus. Ein auf die Anode treffendes Elektron erfährt Streuprozesse an den Atomen in der Anode. Dadurch kann das Elektron sowohl seine Fortbewegungsrichtung ändern als auch Energie abgeben. Sinkt die kinetische Energie des Elektrons ausreichend ab, so wird es in der Anode absorbiert.
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Gestreute Elektronen können die Anode jedoch auch wieder verlassen, so dass ein Teil der Elektronen wieder aus der Anodenoberfläche austritt. Diese Elektronen werden als Rückstreuelektronen bezeichnet. Die Rückstreuelektronen treffen teils wieder auf die Anode oder auf die weiteren Komponenten der Röntgenröhre und setzen dort ihre Energie in Strahlung oder Wärme um. Eine durch die Rückstreuelektronen erzeugte Röntgenstrahlung wird als extrafokale Röntgenstrahlung (Extrafokalstrahlung) bezeichnet, da sie außerhalb der Auftrefffläche des primären Elektronenstrahls entsteht. Ein hoher, extrafokaler Strahlungsanteil bewirkt eine Vergrößerung der Unschärfe des optischen Brennflecks und beeinträchtigt somit die Bildqualität.
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Bei Röntgenröhren, insbesondere modernen „einpoligen“ Hochleistungsröntgenröhren für die Computertomographie, wird ein sogenannter Rückstreuelektronenfänger (RSE-Fänger) benötigt, um die von der Anode zurückgestreuten Elektronen aufzufangen. Das Bauteil hat den primären Zweck, die in diesen Rückstreuelektronen gespeicherte Energie aufzufangen und so von der Anode fernzuhalten, da diese schwerer zu kühlen ist. Zusätzlich bietet der RSE-Fänger die Möglichkeit, möglichst nah am Entstehungsort der genutzten Röntgenstrahlung die ungewollte Extrafokalstrahlung durch Absorptionsfilter auszublenden, also die Nutzstrahlung zu kollimieren. Ungewollt aber physikalisch unvermeidbar ist, dass beim Auftreffen der Elektronen auf dem RSE-Fänger Extrafokalstrahlung entsteht. Durch die Extrafokalstrahlung kann sich die Bildqualität verschlechtern. Weiterhin erhöht sie die Dosisbelastung eines Patienten bei einer Röntgenuntersuchung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, bei der die entstehende Extrafokalstrahlung nicht in das primäre, vom Brennfleck auf der Anode ausgehende Röntgennutzstrahlenbündel fällt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Röntgenröhre mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird der Rückstreuelektronenfänger so ausgebildet, dass er wenigstens im Wesentlichen keinen dem Röntgenstrahlenbündel gegenüberliegenden und diesem zugewandten Oberflächenbereich umfasst, bei dem wenigstens ein Oberflächenteilbereich sowohl von einem beliebigen Punkt in dem Röntgenstrahlenbündel außerhalb der Röntgenröhre aus betrachtet als auch von einem beliebigen Punkt des Brennflecks aus betrachtet sichtbar ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Rückstreuelektronenfänger oder den Bereich eines Rückstreuelektronenfängers in einem Bereich der Röntgenröhre zwischen einer durch das Austrittsfenster festgelegten Ebene und einer dazu parallelen Ebene, in der der Elektronenstrahl liegt.
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Ferner betrifft die Erfindung insbesondere solche Rückstreuelektronenfänger bzw. Bereich von Rückstreuelektronenfängern, deren Projektion in Richtung eines von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahls auf das Röntgennutzstrahlbündel fällt.
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Unwesentliche Oberflächenbereiche, beispielsweise an der Verbindungslinie zwischen einem Oberflächenteilbereich mit den genannten Merkmalen und einem weiteren Oberflächenteilbereich ohne die genannten Eigenschaften, sollen außer Betracht bleiben.
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„Sichtbar“ im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet, dass es eine direkte Verbindungslinie zwischen besagten Punkten bzw. Flächen gibt, die nicht zumindest abschnittsweise durch wenigstens ein Röntgenstrahlung absorbierendes Medium verläuft.
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Die erfindungsgemäße, besondere Ausbildung des Rückstreuelektronenfängers verhindert, dass von der Oberfläche der Anode rückgestreute Elektronen direkt, das heißt ohne weitere Streuungen, auf den Rückstreuelektronenfänger treffen und dort beim Auftreffen Röntgenstrahlung (Extrafokalstrahlung) erzeugen, die in den Röntgennutzstrahl fällt und dadurch die Qualität der erzeugten Röntgenstrahlung sowie die Bildqualität verschlechtert bzw. zu einer unnötigen Strahlenbelastung für einen Patienten führt. Dies trifft insbesondere für Extrafokalstrahlung zu, die von dem Rückstreuelektronenfänger in einer Röntgennutzstrahlrichtung, das heißt einer in dem Röntgennutzstrahlbündel (Röntgennutzstrahl) vorhandenen Strahlungsrichtung, durch das Austrittsfenster tritt. Extrafokalstrahlung anderer Strahlungsrichtung verlässt das Röntgennutzstrahlbündel zwar in einer bestimmten Entfernung zu der Röntgenröhre, aber evtl. erst in einer Entfernung, die nach dem Untersuchungs- oder Detektorbereich einer Röntgenvorrichtung, in der die erfindungsgemäße Röntgenröhre verwendet wird, liegt. Man kann jedoch bei üblichen Röntgenvorrichtungen für die Medizintechnik von einem Detektorabstand von mindestens 50 cm zum Brennfleck der Röntgenröhre ausgehen, so dass Extrafokalstrahlung, die zuvor aus dem Röntgennutzstrahlbündel austritt, die Bildqualität allenfalls geringfügig beeinträchtigt. Bei der erfindungsgemäßen Betrachtung sind daher insbesondere solche Oberflächenbereiche bzw. Oberflächenteilbereiche des Rückstreuelektronenfängers zu vermeiden, die direkt von rückgestreuten Elektronen getroffen werden können und von einem beliebigen Punkt in dem Röntgenstrahlenbündel außerhalb der Röntgenröhre in wenigstens 50 cm Abstand zum Brennfleck aus betrachtet sichtbar sind.
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Ziel der Erfindung ist es insbesondere auch, bei dem Rückstreuelektronenfänger Oberflächenteilbereiche zu vermeiden, auf die rückgestreute Elektronen direkt auftreffen und beim Auftreffen Röntgenstrahlung erzeugen können, die in den Röntgennutzstrahl fällt und entlang einer Röntgennutzstrahlrichtung aus der Röntgenröhre austritt. Unter einer Röntgennutzstrahlrichtung wird dabei jede in dem Röntgennutzstrahlbündel vorkommende Röntgenstrahlungsrichtung verstanden. Wird jegliche Extrafokalstrahlung mit einer derartigen Strahlungsrichtung vermieden, so kann sich der Röntgenstrahlendetektor in einem beliebigen Abstand zum Brennfleck befinden, ohne dass er direkt von Extrafokalstrahlung getroffen werden könnte.
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Die erfindungsgemäße Röntgenröhre eignet sich insbesondere zur Erzeugung eines Röntgenstrahlenbündels zur Untersuchung eines Untersuchungsobjektes in einer Röntgenvorrichtung, wobei das Röntgenstrahlenbündel nach der Durchdringung des Untersuchungsobjekts von einem Röntgenstrahlendetektor der Röntgenvorrichtung erfasst wird. Gemäß der Erfindung weist der Rückstreuelektronenfänger der Röntgenröhre vorteilhaft keinen aus Sicht des Röntgenstrahlendetektors sichtbaren Oberflächenteilbereich auf, der auch von dem Brennfleck der Röntgenröhre aus betrachtet sichtbar ist.
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Der betreffende Oberflächenbereich des Rückstreuelektronenfängers weist mehrere voneinander getrennte und von einem beliebigen Punkt in dem Röntgenstrahlenbündel außerhalb der Röntgenröhre aus betrachtet zumindest teilweise sichtbare erste Oberflächenteilbereiche auf, die von einem beliebigen Punkt des Brennflecks aus betrachtet nicht sichtbar sind. Dabei sind wenigstens zwei voneinander getrennte erste Oberflächenteilbereiche durch wenigstens einen von einem beliebigen Punkt in dem Röntgenstrahlenbündel außerhalb der Röntgenröhre aus betrachtet nicht sichtbaren und von einem beliebigen Punkt des Brennflecks aus betrachtet sichtbaren zweiten Oberflächenteilbereich getrennt. Durch diese spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rückstreuelektronenfängers ist es möglich, dass von dem Brennfleck unter einem bestimmten, insbesondere verhältnismäßig flachen Winkel gegenüber der Anode rückgestreute Elektronen auf den Rückstreuelektronenfänger und insbesondere auf dessen Randbereich treffen und dort absorbiert werden. Der Anteil durch den Rückstreuelektronenfänger gefangener Elektronen wird dadurch erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeder zweite Oberflächenteilbereich zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen dem Brennfleck und dem jeweiligen zweiten Oberflächenteilbereich ausgerichtet. Die zweiten Oberflächenteilbereiche sind somit zum Brennfleck hin ausgerichtet. Dadurch treffen direkt rückgestreute Elektronen zumindest näherungsweise senkrecht auf den zweiten Oberflächenteilbereichen auf. Dies erhöht die Absorptionsrate rückgestreuter Elektronen und reduziert Mehrfachstreuungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Röntgenröhre mit einem Rückstreuelektronenfänger nach dem Stand der Technik,
- 2 eine Ausführungsform eines Rückstreuelektronenfängers,
- 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückstreuelektronenfängers,
- 4 ein Röntgengerät mit einer Röntgenröhre gemäß der Erfindung und einem Röntgenstrahlendetektor.
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1 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine Röntgenröhre 1 gemäß dem Stand der Technik. Diese umfasst wenigstens eine Kathode 2 zum Erzeugen eines Elektronenstrahlenbündels 6 sowie eine Anode 3, auf die das Elektronenstrahlenbündel 6 auftrifft und dort einen Brennfleck 7 erzeugt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Anode 3 als Drehanode ausgeführt, die um eine Achse S rotiert. Im Brennfleck 7 wird ein Teil der in den Elektronen vorhandenen Energie in Röntgenstrahlung umgewandelt, so dass von dem Brennfleck 7 ein Röntgenstrahlenbündel 8 ausgeht. Das Röntgenstrahlenbündel 8 ist durch Absorptionselemente 10 begrenzt. Es tritt durch ein in der Röntgenröhre 1 vorhandenes Austrittsfenster 12 als Röntgennutzstrahl aus der Röntgenröhre 1 aus.
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Während des Betriebes der Röntgenröhre 1 wird ein Teil der von der Kathode 2 emittierten Elektronen beim Auftreffen auf die Anode 3 im Brennfleck 7 von dort zurückgestreut. Zum Auffangen solcher Rückstreuelektronen 9 ist in der Röntgenröhre 1 ein Rückstreuelektronenfänger 4 vorhanden. Dieser weist in der Regel eine gewölbte, zum Brennfleck 7 hin gerichtete Oberfläche 5 auf, auf die ein Großteil der rückgestreuten Elektronen auftrifft und dort absorbiert wird.
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Es lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass auch beim Auftreffen der rückgestreuten Elektronen auf den Rückstreuelektronenfänger 4 Röntgenstrahlung (Extrafokalstrahlung) entsteht. Bedingt durch die Geometrie der Anordnung kann die Extrafokalstrahlung, die im Bereich der gewölbten Oberfläche 5 entsteht, nicht in Richtung des Röntgennutzstrahls 8 durch das Austrittsfenster 12 die Röntgenröhre 1 verlassen und dadurch die Qualität des Röntgennutzstrahls verschlechtern. Anders verhält es sich mit der dem Röntgenstrahlenbündel 8 gegenüberliegenden und diesem zugewandten Oberflächenbereich 13, der aus Sicht der 1 einer Unterseite des Rückstreuelektronenfängers 4 entspricht. Dieser Oberflächenbereich 13 kann auf direktem Wege von vom Brennfleck 7 aus rückgestreuten Elektronen 9 getroffen werden. Dabei ist es möglich, dass die rückgestreuten Elektronen 9 im Oberflächenbereich 13 des Rückstreuelektronenfängers 4 Röntgenstrahlung (Extrafokalstrahlung) erzeugen, die die Röntgenröhre 1 durch das Austrittsfenster 12 verlässt und in den Röntgennutzstrahl 8 fällt. In 1 ist dies durch den Röntgenstrahl E (Extrafokalstrahl) angedeutet.
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Die Extrafokalstrahlung ist besonders störend, wenn sie bei der Verwendung der Röntgenröhre 1 in einer Röntgenvorrichtung auf einen Röntgendetektor trifft. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Strahlungsrichtung des Extrafokalstrahls mit einer Strahlungsrichtung des Röntgennutzstrahls 8 zusammenfällt. Andernfalls wäre es möglich, dass die erzeugte Extrafokalstrahlung wieder aus dem Röntgennutzstrahl austritt, bevor dieser auf den Röntgendetektor trifft. Diese Extrafokalstrahlung wäre damit weniger störend.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Rückstreuelektronenfängers 4 zeigt 2. Dabei stimmt die dort gezeigt Röntgenröhre weitgehend mit der Röntgenröhre 1 aus 1 überein, weshalb auch dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Ein wesentlicher Unterschied besteht allerdings in der speziellen Ausbildung des Rückstreuelektronenfängers 4. Dessen Unterseite, also der dem Röntgennutzstrahl 8 gegenüberliegende und diesem zugewandte Oberflächenbereich 14, der zumindest teilweise auch „von außen“ sichtbar ist, ist hier von einem beliebigen Punkt des Brennflecks 7 aus betrachtet nicht sichtbar. Von dem Brennfleck 7 rückgestreute Elektronen 9 können daher den Oberflächenbereich 14 nicht direkt treffen, da dieser durch den Oberflächenbereich 5 „abgeschattet“ wird. Dies wird in 2 zusätzlich durch eine Gerade G durch einen Punkt P1 am Rand des Brennflecks 7 und einen auf der Verbindungslinie der Oberflächenbereiche 5 und 14 liegenden Punkt P2 veranschaulicht, die den Oberflächenbereich 14 nicht schneidet. Alle Bereiche des Rückstreuelektronenfängers 4, auf die rückgestreute Elektronen 9 direkt, das heißt ohne weitere Streuungen, auftreffen können, sind daher „von außen“ nicht sichtbar. Dies trifft insbesondere für den Oberflächenbereich 5 zu. „Von außen" heißt dabei, von einem beliebigen Punkt außerhalb der Röntgenröhre 1 aus, durch das Austrittsfenster 12 und vorbei an den Absorptionselementen 10 betrachtet. „Sichtbar“ bedeutet, dass eine direkte Verbindungslinie zwischen den betreffenden Punkten bzw. Oberflächen nicht durch ein Röntgenstrahlung absorbierendes Element, beispielsweise das Gehäuse 11, das Absorptionselement 10 oder den Rückstreuelektronenfänger 4 unterbrochen ist. Der gewölbte Oberflächenbereich 5 ist demnach nicht „von außen“ sichtbar. Er wird insbesondere durch die Oberfläche 14 des Rückstreuelektronenfängers 4 verdeckt.
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Bei der Grob-Unterscheidung zwischen von außen sichtbaren und von außen nicht sichtbaren Oberflächenteilbereichen kann eine verfeinerte Betrachtungsweise sinnvoll sein. Eine störende Extrafokalstrahlung kann von einem Oberflächenteilbereich ausgehen, der von einem Punkt außerhalb der Röntgenröhre 1 und innerhalb des Röntgennutzstrahls 8 aus betrachtet sichtbar ist. Darüber hinaus sind insbesondere solche Oberflächenteilbereiche relevant, die von einem Punkt innerhalb des Röntgennutzstrahls 8 mit wenigstens 50 cm Abstand zum Brennfleck 7 sichtbar sind. Insbesondere bei diesen Oberflächenteilbereichen besteht die Gefahr, dass Extrafokalstrahlung in unerwünschter Weise auf einen Röntgenstrahlendetektor gelangt, da der Abstand zwischen dem Brennfleck und einem Röntgenstrahlendetektor gewöhnlich größer 50 cm ist.
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Weiterhin gilt es solche Oberflächenbereiche zu vermeiden, die sowohl vom Brennfleck 7 aus als auch von einem Punkt innerhalb des Nutzstrahls 8 und entgegen einer in dem Röntgennutzstrahlenbündel 8 vorkommenden Strahlungsrichtung betrachtet sichtbar sind. Von solchen Oberflächenteilbereichen kann stets eine störende Extrafokalstrahlung ausgehen, unabhängig vom Abstand zwischen dem Brennfleck 7 und dem Röntgenstrahlendetektor.
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Selbstverständlich sind darüber hinaus insbesondere solche Oberflächenteilbereiche zu vermeiden, die sowohl vom Brennfleck 7 aus betrachtet als auch von einem Punkt des Röntgenstrahlendetektors aus betrachtet sichtbar sind. In diesem Fall wird der Röntgenstrahlendetektor immer von Extrafokalstrahlung getroffen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt 3. Darin ist bei dem Rückstreuelektronenfänger 4 ein dem Röntgenstrahlenbündel 8 gegenüberliegender und diesem zugewandter Oberflächenbereich 15 profiliert ausgebildet. Die Profilierung ist dabei derart, dass zwei unterschiedliche Arten von Oberflächenteilbereichen des Oberflächenbereichs 15 entstehen. Einerseits sind dies die Oberflächenteilbereiche 15A, 15C und 15E. Diese sind zwar zumindest teilweise von außen sichtbar, nicht jedoch vom Brennfleck 7 aus betrachtet. Rückgestreute Elektronen 9 können daher auf diese Oberflächenteilbereiche nicht direkt auftreffen. Zwischen den Oberflächenteilbereichen 15A, 15C und 15E befinden sich andererseits die Oberflächenteilbereiche 15B und 15D. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwar vom Brennfleck 7 aus betrachtet sichtbar sind und daher rückgestreute Elektronen 9 absorbieren können.
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Sie sind jedoch nicht von außen sichtbar, so dass bei der Absorption entstehende Extrafokalstrahlung nicht in den Röntgennutzstrahl 8 außerhalb der Röntgenröhre 1 gelangen kann. Um die rückgestreuten Elektronen 9 möglichst gut absorbieren zu können, sind die Oberflächenteilbereiche 15B und 15D vorteilhaft jeweils möglichst senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Oberflächenteilbereich 15B bzw. 15D und dem Brennfleck 7 ausgerichtet.
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4 zeigt eine Röntgenvorrichtung 20 mit einer Röntgenröhre 1 gemäß der Erfindung mit einem Gehäuse 11 sowie einem Austrittsfenster 12 und einem von der Röntgenröhre 1 beabstandeten Röntgenstrahlendetektor 21. Der von der Röntgenröhre 1 erzeugte Röntgennutzstrahl 8 trifft dabei - ggf. nach der Durchdringung eines Untersuchungsobjekts - auf den Röntgenstrahlendetektor 21. Die gezeigte Röntgenvorrichtung 20 kann beispielsweise Bestandteil eines Computertomographen (CT) sein. Dann beträgt der Abstand zwischen der Röntgenröhre 1 und dem Detektor 21 beispielsweise 100 cm. Intern ist die Röntgenröhre 1 wie in den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 ausgeführt. Damit sind auch von dem ungünstigsten Blickwinkel aus betrachtet, nämlich aus Sicht des Punktes P auf der Oberfläche des Röntgenstrahlendetektors 21, alle aus Sicht des Brennflecks 7 sichtbaren Oberflächenbereiche bzw. Oberflächenteilbereich des Rückstreuelektronenfängers 4 aus Sicht des Punktes P nicht sichtbar. Von direkt rückgestreuten Elektronen 9 ausgehende Extrafokalstrahlung kann daher nicht auf den Röntgenstrahlendetektor 21 gelangen.
