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Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Blende zur Strahlungsregelung eines durch solare oder künstliche Strahlung betriebenen Strahlungssystems.
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Es existieren Strahlungssysteme, bei denen Licht, beispielsweise das Sonnenlicht, um einen Faktor von mehr als 4.500 konzentriert wird. Ein derartiges Strahlungssystem ist beispielsweise ein Sonnenofen. Diese Strahlung steht für verschiedenste Experimente zur Verfügung, z. B. für die Untersuchung einzelner Komponenten von Solarkraftwerken oder für Experimente im Bereich der solaren Chemie und der Materialforschung. Der Vorteil gegenüber einem herkömmlichen elektrisch oder fossil betriebenen Ofen besteht in der besonderen Regelbarkeit der Energiezufuhr. Mittels optischer Einrichtungen, wie Blenden, kann die Energiezufuhr innerhalb weniger Zehntelsekunden an- bzw. abgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen z. B. Temperaturgradienten auf Oberflächen bestrahlte Objekte von Interesse sind oder als Ersatz für das Spiegelfeld eines Solarkraftwerkes. Darüber hinaus bietet der Sonnenofen gegenüber einem herkömmlichen Ofen die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängenbänder im Sonnenlicht zu nutzen, beispielsweise für chemische Reaktionen.
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Die konzentrierte Strahlung derartiger Öfen muss nicht notwendigerweise solar erzeugt werden, sondern es besteht auch die Möglichkeit, künstliche Strahlung zu verwenden.
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Aus
DE 12 52 928 A ist ein Sonnensimulator, der mit einer künstlichen Strahlungsquelle betrieben ist, bekannt. Der Sonnensimulator weist eine Blende auf, die einen Teil der Strahlung aufnimmt und daher gekühlt werden kann.
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Das Leistungsangebot in dem Sonnenofen muss auf den Leistungsbedarf des entsprechenden Experimentes angepasst werden. Dabei ist die konzentrierte Strahlungsleistung in der Regel nicht konform mit dem Leistungsbedarf des Experiments.
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Zumeist benötigen die Experimente weniger Leistung als zur Verfügung steht. Daher wird zwischen die Strahlungsquelle und dem Target eine steuerbare Blende platziert. Diese unterbricht das Strahlungsfeld so weit, bis der benötigte Leistungsbetrag auf das Target auftrifft.
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Ein vorbekanntes Konzept einer derartigen Blende besteht aus zwei Stahlplatten, die vertikal aufeinander zufahren, bis der Strahl vollständig unterbrochen ist. Ferner sind Lamellenshutter bekannt, die aus mehreren vertikalen schmalen Körpern bestehen, die sich jeweils um ihre eigene Achse drehen.
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US 2013/0 044 860 A1 offenbart eine Blende für einen Röntgenapparat, bei dem mehrere Blenden, die sich gegeneinander an den Seitenkanten führen, linear verschiebbar sind.
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Das Problem der vorbekannten Shutter besteht darin, dass bei kleinen Leistungsanforderungen und somit kleinen Öffnungswinkeln der Blende das Strahlungsprofil stark verzerrt wird. Da bei vielen Experimenten grundsätzlich eine gleichmäßige Verteilung der Strahlungsflussdichte benötigt wird, ist daher die vorbekannte Blende häufig nur unzureichend einsetzbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine steuerbare Blende für ein Strahlungssystem zu schaffen, bei dem auch bei starkem Unterbrechungsgrad der Strahlung eine möglichst gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielt werden kann.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei der erfindungsgemäßen steuerbaren Blende zur Strahlungsregelung eines durch solare oder künstliche Strahlung betriebenen Strahlungssystems mit einer runden oder vieleckigen Öffnung mit einer Mittelachse und mit mehreren beweglichen Lamellen zum Verschließen der Öffnung ist vorgesehen, dass die Lamellen jeweils zwei Seitenkanten aufweisen, die in einem spitzen Winkel zueinander zum Bilden einer Lamellenspitze angeordnet sind und mit einer der Lamellenspitze gegenüberliegenden Seite an einer Peripheriekante der Öffnung beweglich angebracht sind, wobei im geschlossenen Zustand der Blende jeweils benachbarte Lamellen mit den aneinander zugewandten Seitenkanten aneinander anliegen und die Lamellenspitzen aller Lamellen zu der Mittelachse der Öffnung gerichtet sind und wobei die Lamellen ein Kühlsystem zur Kühlung der Lamellenspitzen aufweisen.
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Durch das Vorsehen von spitz zulaufenden Lamellen kann gewährleistet werden, dass beim Schließen der Blende die Strahlung gleichmäßig über ihre Querschnittsfläche unterbrochen werden. Dadurch wird eine gleichmäßigere Strahlungsflussdichte erreicht. Durch das Vorsehen eines Kühlsystems zur Kühlung der Lamellenspitzen wird erreicht, dass die Lamellenspitzen, die bei teilweise geöffneter Blende aufgrund der Strahlung einer starken thermischen Belastung ausgesetzt sind, ausreichend gekühlt werden, um Beschädigungen entgegenzuwirken. Darüber hinaus kann aufgrund des Kühlsystems die Blende wesentlich näher an dem Fokus des Strahlungssystems positioniert werden, da das Kühlsystem Beschädigungen an den Lamellen, die aufgrund der hohen Strahlungsflussdichte im fokusnahen Bereich auftreten könnten, verhindert werden. Dadurch kann die Blende gegenüber herkömmlichen Blenden wesentlich kompakter ausgestaltet werden. Somit ist beispielsweise eine Blende bereitstellbar, die gegenüber herkömmlichen Blenden ein wesentlich geringeres Gewicht aufweist, so dass beispielsweise auch mobile Blendensysteme möglich sind, die einen schnellen Transport zwischen verschiedenen Strahlungssystemen ermöglichen.
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Die Lamellen können beispielsweise dreieckig, beispielsweise in Form eines gleichschenkeligen Dreiecks, ausgebildet sein und in Art einer Tortenform angeordnet werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lamellen an der Peripheriekante der Öffnung gelenkig angebracht sind und zum Öffnen der Blende um eine Achse verschwenkbar sind. Dabei können die Lamellen beispielsweise in Richtung zu der Strahlungsquelle hin verschwenkt werden. Mit anderen Worten, die Lamellen werden zum Öffnen der Blende in Richtung zu der Strahlungsquelle hin herausgeklappt.
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Das Verschwenken der Lamellen ermöglicht ein schnelles Öffnen der Blende in vorteilhafter Weise. Darüber hinaus kann durch das Verschwenken ein Verkanten oder Verklemmen einzelner Lamellen während des Öffnens vermieden werden. Durch ein Verschwenken der Lamellen in Richtung zu der Strahlungsquelle, d. h. entgegen der Strahlungsrichtung, wird die Lamelle derart verschwenkt, dass sie sich von dem Fokuspunkt entfernt. Dadurch wird die thermische Belastung auf die Lamellen aufgrund der in diese Richtung abnehmenden Strahlungsflussdichte verringert.
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Unter Strahlungsquelle wird im Rahmen der Erfindung nicht ausschließlich die Strahlung tatsächlich erzeugende Objekte, wie beispielsweise die Sonne oder künstliche Strahler, verstanden, sondern auch etwaige Reflektionsvorrichtungen und/oder Fokussiervorrichtungen. Die Formulierung „in Richtung zu der Strahlungsquelle hin” oder „auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite” bedeutet somit, dass auf die Richtung, aus der der Strahl kommt, Bezug genommen wird.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand der Blende die Lamellen in einem spitzen Winkel zu einer Hauptebene der Öffnung angeordnet sind. Die Hauptebene der Öffnung ist dabei eine Ebene, die orthogonal zu der Mittelachse im Bereich der Peripheriekante der Öffnung verläuft. Der Winkel kann beispielsweise zwischen 10 und 30°, vorzugsweise 20°, betragen. Mit anderen Worten: Die Lamellen verlaufen im geschlossenen Zustand der Blende nicht in einer Ebene, sondern ragen aus der Hauptebene heraus.
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Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass ein Verklemmen der Lamellen zueinander vermieden wird. Darüber hinaus kann ein sehr schnelles Öffnen und Schließen der Blende gewährleistet werden, da bereits kleine Bewegungen der Lamellen ausreichen, um eine Öffnung in der Blende zu erreichen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blende 8 Lamellen aufweist. Selbstverständlich sind auch Blenden mit mehr oder weniger Lamellen möglich.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass das Kühlsystem mit einem Kühlfluid durchflossene Kühlkanäle aufweist, wobei jeweils mindestens ein Kühlkanal in eine Oberfläche einer Lamelle eingelassen und an seiner Oberseite mit einer Abdeckung verschlossen ist. Ein Kühlsystem mit derartigen Kühlkanälen hat sich als besonders vorteilhaft zur Kühlung der Lamellen herausgestellt. Durch das Einlassen der Kühlkanäle in eine Oberfläche der Lamelle sind die Kühlkanäle in vorteilhafter Weise und auf konstruktiv einfache Art und Weise bereitstellbar. Die Abdeckung ermöglicht, dass in jeder Stellung der Lamelle das Kühlfluid in vorteilhafter Weise in den Kühlkanälen verbleibt und diese durchfließen kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abdeckung eines Kühlkanals aus der Oberfläche herausragt und eine Kühlrippe bildet. Dadurch wird erreicht, dass auf diesem Bereich der Lamelle auftreffende Strahlung auf eine große Oberfläche trifft und somit besser verteilt wird. Dadurch kann eine vorteilhaftere Kühlung erreicht werden. Darüber hinaus kann der Kühlkanal durch eine derartige Abdeckung auch aus der Oberfläche der Lamelle herausragen, so dass Kühlkanäle mit einem größeren Querschnitt erreicht werden können, wodurch das Volumen des durch die Kühlkanäle fließenden Kühlfluids vergrößert werden kann.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlkanäle zumindest teilweise parallel zu den Seitenkanten der Lamellen verlaufen. Ein derartiger Verlauf hat sich als herstellungstechnisch besonders vorteilhaft herausgestellt. Darüber hinaus können durch einen derartigen Verlauf größere Teile der Lamelle gekühlt werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle abschnittsweise in einem Winkel zu den Seitenkanten angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein erster Abschnitt eines Kühlkanals, der zu der Lamellenspitze hinführt, in einem Abstand zu einer Seitenkante angeordnet ist, der etwa die Hälfte des Abstandes des Kühlkanalabschnitts zu einem zweiten Kühlkanalabschnitt beträgt, der von der Lamellenspitze wegführt. Dadurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung einer Lamelle möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle im Bereich der Lamellenspitzen jeweils einen bogenförmigen Verlauf aufweisen. Dadurch wird im Bereich der Lamellenspitze ein relativ großes Volumen für Kühlfluid durch die Kühlkanäle bereitgestellt, so dass die Spitzen in besonders vorteilhafter Weise gekühlt werden. Der bogenförmige Verlauf lässt darüber hinaus herstellungstechnisch in vorteilhafter Weise erzeugen.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass die Oberfläche der Lamelle, in die ein Kühlkanal eingelassen ist, im geschlossenen Zustand der Lamelle auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite angeordnet ist.
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Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle auf der von der Strahlungsquelle abgewandten Seite in die Oberfläche der Lamellen eingelassen sind. Da durch den Aufprall der Strahlung auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite ein besonders hoher Wärmeeintrag auf der Oberfläche der Lamelle entsteht, ist das Vorsehen der Kühlkanäle möglichst nahe dieser Oberfläche für deren Kühlung von besonderem Vorteil.
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Dies wird durch ein Einlassen der Kühlkanäle auf der gegenüberliegenden Seite erreicht.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamelle über Stangenantriebe, die vorzugsweise an der Strahlungsquelle zugewandten Oberfläche angreifen, antreibbar sind. Über derartige Antriebe lassen sich die Lamellen in besonders vorteilhafter Weise zum Öffnen der Blende verschwenken. Stangenantriebe haben darüber hinaus den Vorteil, dass diese derart ausgestaltet sein können, dass thermische Verformungen nicht zum Verklemmen des Antriebes führen, indem beispielsweise ein oder mehrere Gelenke in den Stangenantrieben vorgesehen sind. Dadurch können Längenveränderungen aufgrund thermischer Einflüsse ausgeglichen werden.
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Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass die Lamellen im geschlossenen Zustand aus der Hauptebene auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite der Blende herausragen. Die Lamellen erstrecken sich somit mit ihren Spitzen entgegen der Strahlungsrichtung von dem Fokuspunkt weg, so dass im geschlossenen Zustand der Blende die auf die Blende auftreffende Strahlung verglichen mit Bereichen näher am Fokus eine geringere Strahlungsflussdichte hat. Dadurch können die auf die Lamellen der Blende einwirkenden thermischen Belastungen verringert werden.
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Das Kühlsystem kann ein aktives Kühlsystem sein, das beispielsweise Wasser als Kühlfluid verwendet.
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Im Folgenden wird unter die Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Blende,
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2 eine schematische Detailansicht einer einzelnen Lamelle einer erfindungsgemäßen Blende und
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3 eine erfindungsgemäße Blende im geöffneten und geschlossenen Zustand.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Blende 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Blende 1 besteht aus einem Blendenkörper 3, der einen Rahmen 5 aufweist. An dem Rahmen 5 sind mehrere Lamellen 7 angelenkt. Der Rahmen 5 bildet eine Öffnung 9 der Blende 1, wobei in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Öffnung 9 achteckig ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Öffnung auch eine runde Öffnung oder die Form eines anderen Vielecks aufweisen.
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Eine theoretische Mittelachse 9a durchdringt das Zentrum der Öffnung 9.
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Die Lamellen 7 sind im wesentlichen dreieckig ausgebildet, wobei zwei Seitenkanten 11 in einem spitzen Winkel zueinander zum Bilden einer Lamellenspitze 13 verlaufen. Die Seitenkanten 11 und die Lamellenspitze 13 sind am besten in 2, in der eine Detaildarstellung einer einzelnen Lamelle 7 schematisch gezeigt ist, zu erkennen.
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Die Lamellen 7 sind mit der der Lamellenspitze 13 gegenüberliegenden Seite 15 an dem Rahmen 5 angelenkt, wobei im geschlossenen Zustand die Lamellenspitzen 13 zur Mitte der Öffnung 9 hin zeigen und somit auf der Mittelachse 9a enden.
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Im geschlossenen Zustand der Blende 1 liegen die Seitenkanten 11 benachbarter Lamellen aneinander an. Jede Lamelle 7 wird über einen Antrieb 17 angetrieben und kann über den Antrieb 17 zum Öffnen der Blende 1 verschwenkt werden.
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Dazu ist, wie am besten in 2 ersichtlich ist, die Blende 1 über ein Gelenk 19 an dem Rahmen 5, der eine Peripheriekante der Öffnung 9 bildet, angelenkt.
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Die Blende 1 ist über die Antriebe 17 steuerbar, wodurch ein Strahlengang eines Strahlungssystem, in dem die Blende 1 angeordnet ist, über die Blende 1 reguliert werden kann. Die Richtung der Strahlung ist in 1 durch einen entsprechenden Pfeil dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Blende 1 kann insbesondere für Hochleistungsstrahlungen mit einer sehr hohen Strahlungsflussdichte verwendet werden. Da bei der Regulierung der Strahlung ein Teil der Strahlung auf die Lamellen 7 auftrifft, wird thermische Leistung auf die Lamellen 7 übertragen. Um zu verhindern, dass es zu thermischen Beschädigungen oder Fehlfunktionen der Lamellen 7 kommen kann, weisen die erfindungsgemäßen Lamellen 7 ein Kühlsystem 21 auf, über das die Lamellen 7 und insbesondere die Lamellenspitzen 13 gekühlt werden können. Das Kühlsystem 21 umfasst Kühlkanäle 23. Jeweils mindestens ein Kühlkanal 23 ist in eine Oberfläche 7a einer Lamelle 7 eingelassen. Über eine Abdeckung 25 ist der Kühlkanal 23 an seiner Oberseite verschlossen. Die Abdeckung 25 ragt aus der Oberfläche 7a der Lamelle 7 heraus und bildet eine Art Kühlrippe. Der Kühlkanal 23 verläuft im wesentlichen parallel zu den Seitenkanten 11 und weist im Bereich der Spitze 13 einen bogenförmigen Verlauf 23a auf. Der Kühlkanal 23 kann mit einem Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, zur Kühlung der Lamelle 7 durchflossen werden. Die Kühlkanäle 23 werden dazu beispielsweise über herkömmliche Anschlussleitungen, die in den Figuren nicht dargestellt sind, mit dem Kühlfluid versorgt.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Blende 1 im geschlossenen und geöffneten Zustand gezeigt. Auf der linken Seite der 3 ist der geschlossene Zustand der Blende 1 dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Antrieb 17 sowie das Kühlsystem 21 nicht dargestellt sind. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ragen die Lamellen 7 aus einer Hauptebene 9b der Öffnung 9 heraus. Die Hauptebene 9b ist eine Ebene, die in der Mitte des Rahmens 5 und orthogonal zu der Mittelachse 9a verläuft. Die Lamellen 7 sind in einem spitzen Winkel zu der Hauptebene 9b angeordnet, beispielsweise in einem Winkel von 20°.
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Die Lamellen 7 ragen aus der Hauptebene 9b auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite 1a der Blende 1 heraus.
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Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass ein Verhaken oder Verklemmen der Lamellen 7 beim Öffnen und Schließen verhindert werden kann. Auch thermische Verformungen der Lamellen 7 aufgrund eines Eintrags von thermischer Energie durch die Strahlung des Strahlungssystems kann auf diese Weise ausgeglichen werden, ohne dass die Lamellen 7 verklemmen. Ferner sind die Lamellen 7 in einer Richtung entgegen dem Strahlengang angeordnet und somit in eine von dem Fokuspunkt der Strahlung, der auf der der Seite 1a gegenüberliegenden Seite der Blende 1 angeordnet ist, weg gerichtete Richtung. Dadurch kann der thermische Eintrag auf die Lamellen 7 aufgrund der geringeren Strahlungsflussdichte bei einem geschlossenen oder teilweise geöffneten Zustand der Blende verringert werden.
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In dem rechten Bild der 3 ist die Blende 1 im geöffneten Zustand gezeigt. Die Lamellen 7 sind aufgeklappt und geben die Öffnung 9 frei. Die Antriebe 17 sind als Stangenantriebe ausgebildet, wobei die Antriebe 17 zwei Stangengetriebeglieder 17a aufweisen, die mit der Oberfläche 7a der Lamelle 7 verbunden sind. Derartige Stangenantriebe haben den Vorteil, dass thermische Veränderungen in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden können.
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Aufgrund des Kühlsystems 21 kann die erfindungsgemäße Blende 1 sehr nah an dem Fokuspunkt des Strahlungssystems angeordnet werden. Dadurch ist eine sehr kompakte Ausgestaltung der Blende 1 möglich, so dass die Blende 1 auch transportabel ausgebildet sein kann. Dazu kann die Blende 1, wie in 1 dargestellt ist, eine Aufständerung 27 aufweisen, über die die Blende 1 in einem beliebigen Strahlengang unterschiedlicher Strahlungssysteme positioniert werden kann. Selbstverständlich kann die Aufständerung 27 dazu verschiedenste Verstellmöglichkeiten aufweisen.
