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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre.
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Eine derartige Röntgenröhre ist in der
DE 10 2012 211 287 B3 beschrieben. Die bekannte Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind. Im Betrieb emittiert ein in der Kathode angeordneter Emitter Elektronen, die durch am Emitter angeordnete Elektroden elektrostatisch fokussiert und in Richtung Anode beschleunigt werden. Die Elektronen treffen in einem Brennfleck auf der Anode auf. Die hierbei entstehende Röntgenstrahlung dient der medizinischen und der nicht-medizinischen Bildgebung.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2012 100 009 A1 eine Röntgenröhre bekannt, die ein Vakuumgehäuse aufweist, in dem eine Kathode und eine Anode sowie eine zwischen Kathode und Anode eingebrachte Spulenanordnung angeordnet sind. Die Spulenanordnung umfasst hierbei wenigstens eine Fokussierungsspule. Aus der
US 2012/0 275 562 A1 und aus der
WO 2008/044 194 A2 sind ähnliche Röntgenröhren bekannt.
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Weiterhin ist aus der
US 2013/0 182 825 A1 ein Röntgenstrahler bekannt, der ein Strahlergehäuse und eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehause umfasst. Im Vakuumgehause sind eine Kathode und eine Anode angeordnet. Die während des Betriebs von der Kathode emittierten Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt und erzeugen beim Auftreffen auf der Anode in einem Brennfleck Röntgenstrahlung, die wiederum der medizinischen und der nicht-medizinischen Bildgebung dienen kann. Die Röntgenröhre wird im Betrieb durch ein im Strahlergehäuse zirkulierendes Kühlmedium gekühlt. Die aus der Kathode austretenden Elektronen werden senkrecht zur Achse des Röntgenstrahlers magnetisch abgelenkt. Die magnetische Ablenkung erfolgt durch Spulen außerhalb des Vakuumgehäuses, jedoch innerhalb des Strahlergehäuses. Über wenigstens ein Joch werden die Magnetfelder in das Innere des Vakuumgehäuses eingekoppelt, wodurch auftretende Wirbelströme entsprechend reduziert werden.
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Bei Röntgenstrahlern, bei denen die Magnetfelder nicht über wenigstens ein Joch in das Innere des Vakuumgehäuses eingekoppelt werden, müssen die Magnetfelder das Vakuumgehäuse durchdringen. Schnelle Wechsel der Magnetfelder führen zu Wirbelströmen im Vakuumgehäuse. Sowohl die hierbei auftretenden Wirbelstromverluste als auch die großen Volumina, die hierbei magnetisiert werden müssen, führen dazu, dass bei Magnetfeldänderungen relativ große Energien aufgewendet werden müssen, wobei die Änderungsgeschwindigkeit relativ gering ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine einfach aufgebaute Röntgenröhre zu schaffen, bei der während des Betriebs schnelle Änderungen der Brennfleckgröße und des Fokusortes realisierbar sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Röntgenröhre nach Anspruch 1 weist ein Vakuumgehäuse auf, in dem eine Kathode und eine Anode sowie eine zwischen Kathode und Anode eingebrachte Spulenanordnung angeordnet sind, wobei die Spulenanordnung wenigstens eine Fokussierungsspule umfasst, wobei wenigstens eine Fokussierungsspule in einem Spulenträger und/oder wenigstens eine Fokussierungsspule auf einem Spulenträger angeordnet ist, und wobei in zumindest einem Spulenträger wenigstens eine Steuerelektrode eingebracht ist.
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Wenigstens eine Fokussierungsspule in einem Spulenträger bzw. auf einem Spulenträger anzuordnen, ist bei der erfindungsgemäßen Lösung entweder alternativ oder gleichzeitig realisierbar. So kann beispielsweise ein erster Teil der Fokussierungsspulen jeweils in einem Spulenträger angeordnet sein; ein zweiter Teil der Fokussierungsspulen kann dann z. B. jeweils auf einem Spulenträger angeordnet sein; ein dritter Teil der Fokussierungsspulen kann dann als selbsttragende Spulen ausgebildet sein. Man erhält dadurch eine Vielzahl von konstruktiven Möglichkeiten, die dann jeweils auf einen bestimmten Anwendungsfall optimal abgestimmt werden können.
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Bei der Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 ist in zumindest einem Spulenträger wenigstens eine Steuerelektrode eingebracht. Die Steuerelektroden werden hierbei z. B. mit einem elektrischen Potenzial in Bezug zum Emitter versehen, um eine zusätzliche Emissionssteuerung und Fokussierung zu erreichen.
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Dadurch, dass die Spulenanordnung erfindungsgemäß zwischen der Kathode und der Anode eingebracht ist, erfolgt die magnetische Fokussierung innerhalb des Vakuumgehäuses. Die Magnetfelder werden damit von wenigstens einer Fokussierungsspule innerhalb des Vakuumgehäuses erzeugt und müssen somit das Vakuumgehäuse nicht von außen durchdringen oder mittels wenigstens eines Jochs von außen in das Innere des Vakuumgehäuses eingekoppelt werden. Da die erfindungsgemäße Röntgenröhre somit kein Joch benötigt, sind hierfür auch keine Durchführungen im Vakuumgehäuse erforderlich. Aufgrund des daraus resultierenden einfacheren konstruktiven Aufbaus der Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 ist auch ein Röntgenstrahler, der die erfindungsgemäße Röntgenröhre enthält, entsprechend einfacher aufgebaut.
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Die während der magnetischen Ablenkung der Elektronen im Vakuumgehäuse auftretenden Wirbelströme fließen außerhalb der Spulenanordnung und beeinflussen damit die magnetische Fokussierung der Elektronen nicht, so dass Änderungen der Brennfleckgröße und Änderungen des Fokusortes (Schwerpunkt der Brennfleckverteilung) schnell und präzise vorgenommen werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Röntgenröhre umfasst die Spulenanordnung wenigstens eine Fokussierungsspule, die als kernlose Spule ausgebildet ist (Anspruch 2). Die Spulenanordnung einer derartigen Röntgenröhre ist damit aufgrund des einfachen Aufbaus der Fokussierungsspule einfach herstellbar.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Röntgenröhre umfasst die Spulenanordnung wenigstens eine Fokussierungsspule mit einem magnetischen Kern (Anspruch 3). Durch den Einsatz von Fokussierungsspulen mit einem magnetischen Kern ist das Magnetfeld innerhalb der Spulenanordnung definiert und damit sehr homogen. Gegenüber kernlosen Fokussierungsspulen ist die magnetische Fokussierung damit nochmals verbessert.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Röntgenröhre ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung wenigstens eine Quadrupol-Anordnung mit vier Polschuhen (Segmenten) umfasst (Anspruch 4). Bei einer derartig ausgestalteten Röntgenröhre werden die Elektronen zusätzlich zur magnetischen Fokussierung auch noch elektrostatisch fokussiert. Damit sind besonders schnelle Änderungen der Brennfleckgröße und des Fokusortes realisierbar. Durch die elektrischen Potenziale kann auch der Röhrenstrom durch eine Reduzierung moduliert werden. Die hierdurch auftretende Änderung der Fokussierung kann durch die magnetischen Felder korrigiert werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann die zwischen der Kathode und der Anode eingebrachte Spulenanordnung auch mehr als eine Quadrupol-Anordnung umfassen. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann für die emittierten Elektronen auf einfache Weise ein komplexes Fokussierungssystem aufgebaut werden.
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In vorteilhafter Weise sind hierbei die einzelnen Polschuhe (Segmente) der Quadrupol-Anordnung durch elektrische Isolatoren voneinander getrennt (Anspruch 5). Damit sind die einzelnen Polschuhe unabhängig voneinander auf unterschiedliche elektrische Potenziale schaltbar.
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Dadurch, dass die Fokussierungsspule ein Solenoid ist, erhält man eine konstruktiv besonders einfach aufgebaute Röntgenröhre (Anspruch 6). Die Fokussierungsspule ist hierfür bevorzugt als selbstragende Spule ausgeführt oder auf einem als Keramikrohr ausgebildeten Spulenträger angeordnet. Da sich die Elektronen auf ihrem Weg von der Kathode zur Anode innerhalb des Solenoids drehen, ist diese Ausgestaltung der Röntgenröhre vorzugsweise für die Erzeugung eines runden Brennflecks (Rundfokus) geeignet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Röntgenröhre ist der Spulenträger für die Fokussierungsspule aus einer Schichtkeramik gefertigt (Anspruch 7). Eine derartige Schichtkeramik wird auch als Multilayer-Keramik bzw. Multilagen-Keramik bezeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Schichtkeramik hierbei ein gesinterter Multilayer (Anspruch 8). Abhängig von den in der Röntgenröhre auftretenden Betriebstemperaturen können sowohl HTCC- als auch LTCC-Werkstoffe verwendet werden. Bei Betriebstemperaturen über ca. 600°C ist HTCC (high temperature co-fired ceramic; Hochtemperatur-Einbrand-Keramik) erforderlich, wohingegen jedoch bei niedrigeren Betriebstemperaturen LTCC (low temperature co-fired ceramic; Niedertemperatur-Einbrand-Keramik) ausreichend ist.
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Alternativ kann die Schichtkeramik auch als gestapelter Multilayer ausgeführt sein (Anspruch 9). Bei einer derartigen Ausgestaltung der Röntgenröhre wird die Fokussierungsspule bzw. werden die Fokussierungsspulen zwischen den Multilagen eingebracht; anschließend werden die Multilagen z. B. durch Bolzen miteinander verschraubt.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen der Spulenträger zumindest teilweise mit einer hochohmigen Beschichtung (z. B. Chromoxid) versehen (Anspruch 10). Damit wird eine Aufladung der Oberflächen der Spulenträger durch vagabundierende Elektronen (Rückstreuelektronen oder Sekundärelektronen) zuverlässig vermieden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Spulenträger zumindest teilweise mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind (Anspruch 11). Durch diese Maßnahme wird eine nochmals verbesserte zusätzliche Fokussierung und/oder eine nochmals verbesserte Emissionssteuerung erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Polschuhe der Quadrupol-Anordnung als Steuerelektroden ausgebildet (Anspruch 12). Dadurch wird eine effektive elektrostatische und elektromagnetische Einflussnahme auf die Fokussierung gewährleistet.
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Nachfolgend werden drei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele einer Röntgenröhre gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Röntgenröhre in einer perspektivischen Teilansicht im Bereich der Spulenanordnung,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Röntgenröhre in einer perspektivischen Teilansicht im Bereich der Spulenanordnung und
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3 eine dritte Ausführungsform einer Röntgenröhre im Querschnitt im Bereich der Spulenanordnung.
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In 1 ist mit 1 eine Spulenanordnung bezeichnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Fokussierungsspulen 11, 12, 13 und 14 umfasst. Die Fokussierungsspulen 11 bis 14 sind jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Die Fokussierungsspulen 11 und 13 sowie 12 und 14 sind somit jeweils gegenüberliegend und voneinander beabstandet angeordnet.
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Die Spulenanordnung 1 ist erfindungsgemäß innerhalb eines Vakuumgehäuses einer Röntgenröhre zwischen einer Kathode 2 und einer Anode angeordnet. Das Vakuumgehäuse und die Anode sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.
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In der Kathode 2 ist ein Emitter angeordnet, der aufgrund der gewählten Darstellung in 1 nicht sichtbar ist. Der Emitter wird beim Anlegen einer Spannung erhitzt, wodurch Elektronen thermisch emittiert werden. Die Elektronen sind in 1 nicht dargestellt.
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Die Fokussierungsspulen 11 bis 14 sind als kernlose Spulen ausgebildet und in einer Spulenträgeranordnung 3 angeordnet, wobei die Fokussierungsspulen 11 bis 14 jeweils in einem Spulenträger 31 bzw. 32 bzw. 33 bzw. 34 angeordnet sind.
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Die Spulenanordnung 1 weist aufgrund der kernlosen Fokussierungsspulen 11 bis 14 einen einfachen konstruktiven Aufbau auf und ist somit einfach und kostengünstig herstellbar. Trotz des mechanisch einfachen Aufbaus der Fokussierungsspulen 11 bis 14 gewährleistet die Spulenanordnung 1 eine gute magnetische Fokussierung der thermisch emittierten Elektronen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf den Spulenträgern 31 bis 34 jeweils im anodenseitigen Bereich Elektroden 7 angeordnet, wobei in 1 aufgrund der Darstellung nur die auf den Spulenträgern 33 und 34 angeordneten Elektroden sichtbar sind. Durch die Elektroden 7 werden die durch die Fokussierungsspulen 11 bis 14 bereits magnetisch fokussierten Elektronen zusätzlich noch elektrostatisch fokussiert.
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Die in 2 gezeigte Ausgestaltung ist im Wesentlichen wie die in 1 beschriebene Ausführungsform aufgebaut. Lediglich die Fokussierungsspulen 11 bis 14 sind anders ausgebildet. Bei den Fokussierungsspulen 11 bis 14 handelt es sich nicht um kernlose Spulen. Der restliche Aufbau der Röntgenröhre gemäß 2 ist jedoch identisch mit dem grundsätzlichen Aufbau der in 1 dargestellten Röntgenröhre.
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Bei Ausführungsform gemäß 2 weisen die Fokussierungsspulen 11 bis 14 jeweils einen magnetischen Kern 11a bzw. 12a bzw. 13a bzw. 14a auf. Der magnetische Kern 14a der Fokussierungsspule 14 ist aufgrund der Darstellung durch den Spulenträger 31 verdeckt.
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Durch den Einbau von Fokussierungsspulen 11 bis 14 mit einem magnetischen Kern 11a bis 14a ist das Magnetfeld innerhalb der Spulenanordnung 1 definiert und damit sehr homogen. Gegenüber kernlosen Fokussierungsspulen 11 bis 14 (1) ist die magnetische Fokussierung damit nochmals verbessert.
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Die in 3 gezeigte Röntgenröhre weist wiederum eine Spulenanordnung 1 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Quadrupol-Anordnung 4 mit vier Polschuhen 41, 42, 43 und 44 umfasst. Die Polschuhe 41 bis 44 sind jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Die Polschuhe 41 und 43 sowie 42 und 44 sind somit jeweils gegenüberliegend und voneinander beabstandet angeordnet.
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Auf jedem der Polschuhe 41 bis 44 ist jeweils ein Spulenträger 31 bzw. 32 bzw. 33 bzw. 34 mit jeweils einer Fokussierungsspule 11 bzw. 12 bzw. 13 bzw. 14 angeordnet. Die Fokussierungsspulen 11 und 13 sowie 12 und 14 sind somit ebenfalls jeweils gegenüberliegend und voneinander beabstandet angeordnet, wobei die jochseitigen Enden der Polschuhe 41 bis 44 für die Fokussierungsspulen 11 bis 14 jeweils einen magnetischen Kern 11a bzw. 12a bzw. 13a bzw. 14a bilden.
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Die Spulenanordnung 1 ist wiederum innerhalb eines Vakuumgehäuses einer Röntgenröhre zwischen einer Kathode 2 und einer Anode angeordnet. Das Vakuumgehäuse und die Anode sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.
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In der Kathode 2 ist ein Emitter 5 angeordnet, der beim Anlegen einer Spannung erhitzt wird, wodurch Elektronen thermisch emittiert werden. Die Elektronen sind in 3 nicht dargestellt.
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Bei der in 3 dargestellten Röntgenröhre werden die Elektronen zusätzlich zur magnetischen Fokussierung auch noch elektrostatisch fokussiert. Damit sind besonders schnelle Änderungen der Brennfleckgröße und des Fokusortes realisierbar.
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Durch die elektrischen Potenziale kann auch der Röhrenstrom durch eine Reduzierung moduliert werden. Die hierdurch auftretende Änderung der Fokussierung kann durch die magnetischen Felder korrigiert werden.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 3 sind Polschuhe 41 bis 44 der Quadrupol-Anordnung 4 jeweils durch elektrische Isolatoren 6 voneinander getrennt. Damit sind die einzelnen Polschuhe 41 bis 44 unabhängig voneinander auf unterschiedliche elektrische Potenziale schaltbar.
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Im Rahmen der Erfindung kann die zwischen der Kathode 2 und der Anode eingebrachte Spulenanordnung 1 auch mehr als eine Quadrupol-Anordnung 4 umfassen.
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Bei den in den 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltungen sind die Spulenträger 31 bis 34 der Spulenträgeranordnung 3 jeweils aus einer Schichtkeramik gefertigt. Eine derartige Schichtkeramik ist sehr temperaturresistent.
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Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Fokussierungsspulen 11 bis 14 ist bei einer Bestromung der Fokussierungsspulen 11 bis 14 eine gute magnetische Fokussierung der thermisch emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl erzielbar.
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Längs der Flugbahn der Elektronen kann auch mehr als eine Spulenanordnung 1 bzw. mehre als eine Quadrupol-Anordnung 4 vorgesehen sein, so dass z. B. auch Doppel-Quadrupole im Vakuum aufgebaut werden können, wobei auch eine Kombination mit einer elektrostatischen Fokussierung realisierbar ist. Komplexe Fokussierungssysteme, die für alle möglichen Arbeitspunkte jeweils eine optimale Fokussierung der emittierten Elektronen ermöglichen, sind dadurch auf einfache Weise realisierbar.
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Soweit für die Erzeugung der Magnetfelder ferromagnetische Stoffe oder andere Stoffe mit möglichst hoher Magnetisierbarkeit verwendet werden, versteht es sich von selbst, dass diese Stoffe vakuumtauglich sein müssen.
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Durch die Ausprägung der Polschuhe 41 bis 44 und deren Anordnung in Relation zum Emitter 3 können die Wirkungen der Elektronenführung und der Elektronenfokussierung optimiert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, bei Röntgenröhren eine Fokussierung der Elektronen durch Magnetfelder zu erreichen, welche innerhalb des Vakuumgehäuses erzeugt werden, und diese magnetische Fokussierung mit einer elektrostatischen Fokussierung zu kombinieren. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Magnetfelder sehr dicht an den Elektronenstrahl und an den Emitter zu bringen. Dadurch können die Stromstärkensteuerung und die Fokussierung gut aufeinander abgestimmt werden. Darüber hinaus sind schnelle Änderungen der Beschleunigungsspannung bei gleichzeitigen Änderungen der Stromstärke unter Beibehaltung der Fokusgröße möglich. Diese Maßnahme ist auch bei thermionischen Emittern realisierbar, die eine sehr hohe Lebensdauer besitzen und auch Fremdatomen im Vakuum Widerstehen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben ist, ist die Erfindung nicht durch die in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus problemlos auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen.
