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Die Erfindung befasst sich mit einem Transmissionstarget, mit einer offenen Röntgenröhre, mit zwei Verfahren zur Erkennung eines solchen Transmissionstargets und mit einem Verfahren zur Einstellung der Kenngrößen eines solchen Transmissionstargets. Insbesondere bringt die Erfindung in Verbindung mit einer offenen Mikrofokusröntgenröhre gute Ergebnisse.
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Aus dem Stand der Technik sind Röntgenstrahlenquellen bekannt, die man grob in zwei Gruppen - geschlossene und offene Röntgenröhren - unterteilen kann.
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Die geschlossenen Röntgenröhren sind ab Produktion in ihren Parametern und Eigenschaften festgelegt, das heißt, das Vakuum wird bei der Produktion erzeugt und es gibt keine Möglichkeit, nach der Produktion Änderungen an der Röntgenröhre durchzuführen.
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Anders verhält es sich bei den offenen Röntgenröhren. Hier wird das Vakuum der Röntgenröhre erst bei der Inbetriebsetzung erzeugt und kann auch im Bedarfsfalle (Öffnen der Röntgenröhre) wieder abgebaut werden. Damit haben die offenen Röntgenröhren mehrere entscheidende Vorteile. Es können defekte Teile ausgetauscht werden und was viel bedeutender ist, es können durch den Austausch von Komponenten die Eigenschaften der Röntgenröhren verändert werden.
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Gerade im Bereich der hochauflösenden Röntgenröhren kann es zum Beispiel notwendig sein, je nach Anwendungsfall, Brennfleckgröße oder Leistung zu verändern. Dies kann durch den Einsatz eines geeigneten Targets, insbesondere eines Transmissionstargets, erfolgen.
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Der Bediener hat somit den Freiheitsgrad, aus verschiedenen Targets das für seine Applikation/Prüfaufgabe geeignete Target auszuwählen.
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Für jedes dieser Targets gibt es in der Röhrensteuerung einen passenden Parametersatz - im Folgenden als Kenngrößen bezeichnet -, der den optimalen und sicheren Betrieb der Röntgenröhre mit dem Target gewährleistet. Ein falscher Parametersatz führt unweigerlich zu schlechten Prüfergebnissen bis hin zur Zerstörung des Targets.
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Es ist erforderlich, dass der Bediener die notwendigen Parameter an der Röhrensteuerung passend zum Target auswählt und einstellt. Dieser manuelle Eingriff in das System ergibt sich daraus, dass es aufgrund der Einbausituation in der Röntgenröhre keine Möglichkeit gibt, das Target automatisch zu erkennen.
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Während einige Targets, beispielsweise sogenannte High-Power-Targets bis 15 W ohne Defokussierung betrieben werden können, müssen andere Targets schon bei geringen Leistungen, wie beispielsweise 3 W, defokussiert werden, um eine Beschädigung deren Oberfläche zu verhindern. Wenn der Bediener ein Target verbaut, welches nur geringe Leistungen verträgt, in der Software aber ein anderes Target einstellt, kann das Target durch zu hohe Belastung zerstört werden. Das System selbst bemerkt diesen Fehler nicht. Ein weiteres Problem ist ein Sicherheitsrisiko im Bereich des Strahlenschutzes. Wird ein Target eingesetzt, das eine Dosis erzeugt, für die die Anlage nicht ausgelegt ist, ist die Strahlendichtigkeit der Kabine nicht garantiert.
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Da die Transmissionstargets optisch leicht verwechselt werden können, können die vorgenannten Probleme auftreten.
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Alternativ ist es aus der WO 2015/ 058 853 A1 bekannt, Identifizierungselemente am Target anzubringen, die optisch, mechanisch oder elektrisch von entsprechenden Vorrichtungen an der Röntgenröhre erkannt werden und die zum Target gehörigen Kenngrößen dann automatisch einstellen. Dazu müssen aber die zusätzlichen Vorrichtungen zum Erkennen im Bereich des Targets in der Röntgenröhre vorgesehen sein, was zum einen Platz benötigt und zum anderen insbesondere bei elektronischer Erkennung die benötigte Elektronik in einem Bereich angebracht sein muss, in dem eine hohe Strahlenbelastung vorliegt und diese Elektronik üblicherweise nicht dauerhaft strahlenfest ist.
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Röntgenröhren sind entweder als Transmissionsstrahler - bei diesen trifft der Elektronenstrahl senkrecht auf das Target und die Röntgenstrahlung wird durch das Target transmittiert - oder als Direktstrahler - bei diesen trifft der Elektronenstrahl unter einem Winkel auf das Target - ausgebildet. Die entstehende Röntgenstrahlung wird nur in einem definierten Winkelbereich genutzt.
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Aus der US 2007 / 0 110 217 A1 ist eine offene Röntgenröhre mit einem Transmissionstarget bekannt, das eine auf einer Trägerschicht angebrachte Targetschicht aufweist. Die Targetschicht ist mit einem Strommessgerät zur Messung des Targetstroms verbunden. Die Röntgenröhre weist alternativ eine Vorrichtung zur Messung der Rückstreuelektronen auf, die von der Targetschicht emittiert werden.
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Die weiteren Darstellungen und Betrachtungen werden am Beispiel eines Transmissionsstrahlers - im Folgenden auch Transmissionstarget genannt - dargestellt; sie sind aber analog auf einen Direktstrahler übertragbar und gelten somit für alle offenen Röhren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Eliminierung möglicher Fehlbedienungen und damit eine signifikante Steigerung der Betriebssicherheit und damit auch der Lebensdauer einer Röntgenröhre zu erhalten. In der Folge ergibt sich dadurch als weitere Teilaufgabe auch eine Steigerung der Prozesssicherheit bei Maschinen, in denen solche Röntgenröhren zum Einsatz kommen.
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Die Aufgabe wird durch ein Transmissionstarget mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Aufgrund des Identifizierungsmaterials, das auf der der Elektronenquelle der Röntgenröhre zugewandten Seite der Trägerschicht in dem Identifizierungsbereich angeordnet ist, kann eine Vorabprüfung - bevor die Röntgenröhre in Betrieb genommen wird - erfolgen, welche Art von Transmissionstarget eingebaut ist. Dies kann mittels der vom Identifizierungsmaterial rückgestreuten Elektronen, die durch eine Umlenkung des Elektronenstrahls auf den Identifizierungsbereich mittels des weiter unten noch erläuterten erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens in der Elektronenfanghülse gemessen wird, ermittelt werden, wenn eine eindeutige Zuordnung des verwendeten Identifizierungsmaterials zu der Art des Transmissionstargets gegeben ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kenngrößen, die für das jeweils auf dem Transmissionstarget angebrachten Targetmaterials optimal sind, eingestellt werden können und somit keine Überlastung des Transmissionstargets durch falsche Kenngrößeneinstellung erfolgt. Unter einer Elektronenfanghülse wird eine Vorrichtung bezeichnet, die die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf das Transmissionstarget entstehenden rückgestreuten Elektronen absorbiert. Dies ist nötig, um zu verhindern, dass ein zweiter Brennfleck auf dem Transmissionstarget erzeugt wird. Die Ausführungsformen von Elektronenfanghülsen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, liegen an der Oberfläche der Trägerschicht an und sind somit elektrisch leitend mit diesem verbunden; sie liegen auf Erdpotential, um zurückgestreute Elektronen direkt ableiten zu können. Bei erfindungsgemäßen Röntgenröhren, wie diese weiter unten noch beschrieben werden, ist hingegen die Elektronenfanghülse vom Transmissionstarget elektrisch isoliert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Identifizierungsmaterial im Randbereich der Trägerschicht angebracht ist. Dadurch kann der gesamte mittlere Bereich für das Targetmaterial auf der Trägerschicht genutzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Transmissionstarget rund ist und das Identifizierungsmaterial konzentrisch zur Mitte der Trägerschicht angeordnet ist. Da die gängigen Transmissionstargets rund sind, können die unter die Erfindung fallenden Transmissionstargets in die gängigen Röntgenröhren eingesetzt werden und aufgrund der Rotationssymmetrie des Identifizierungsmaterials um die Mittelachse des Transmissionstargets kann dieses in jeder beliebigen Winkellage um diese Mittelachse in die Röntgenröhre eingesetzt werden und der Elektronenstrahl trifft das Identifizierungsmaterial im unten näher erläuterten Identifizierungsmodus immer.
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Die Aufgabe wird auch durch eine offene Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Röntgenröhre ein mit der Trägerschicht verbundenes Targetstrommessgerät sowie ein mit der Elektronenfanghülse verbundenes Rückstreuelektronenstrommessgerät aufweist und die Elektronenfanghülse elektrisch vom Transmissionstarget isoliert ist, können die beiden Ströme separat gemessen werden und aus dem Verhältnis dieser beiden Ströme zueinander bei Kenntnis der Energie des Elektronenstrahls auf das Material geschlossen werden, auf den der Elektronenstrahl trifft. Damit kann die Art des verwendeten Transmissionstargets bestimmt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sieht vor, dass entweder ein erfindungsgemäßes Transmissionstarget verwendet wird oder an dem Transmissionstarget in seinem Identifizierungsbereich kein zusätzliches Material auf der Trägerschicht angebracht ist. Damit kann bei eindeutiger Zuordnung des Identifizierungsmaterials, an dem dieses angebracht ist, beziehungsweise des Trägermaterials, wenn im Identifizierungsbereich kein zusätzliches Material angebracht ist, zu der Art des Transmissionstargets eine Erkennung desselben erfolgen. Bei solchen Ausgestaltungen muss nicht die gesamte Oberfläche des Trägermaterials sowohl in dem Bereich, in dem der Elektronenstrahl während des Betriebs der Röntgenröhre das Transmissionstarget trifft, als auch in dem Identifizierungsbereich mit dem Targetmaterial beschichtet sein.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Durch das Richten des Elektronenstrahls auf den Identifizierungsbereich während des Identifizierungsmodus durch die Ablenkeinheit kann die Art des eingebauten Transmissionstargets bestimmt werden, indem aus dem Verhältnis des Targetstroms zum Rückstreuelektronenstrommessgerät das Material bestimmt wird, auf das der Elektronenstrahl gerade trifft, wenn dieses Material eine feste Korrelation zur Art des verwendeten Transmissionstargets hat.
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Dadurch wird verhindert, dass aus Versehen die falschen Kenngrößen für das verwendete Transmissionstarget an der Röntgenröhre eingestellt werden und damit unter Umständen das Transmissionstarget beschädigt oder zerstört wird.
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Alternativ wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Identifizierung verschiedener Transmissionstargets über unterschiedliche Schichtdicken des Targetmaterials realisiert. Bei sehr dünnen Materialschichten ist die Rückstreuung der Elektronen zusätzlich zu der material- und winkelabhängigen Rückstreuung des Elektronenstrahls, abhängig von der Schichtdicke und der Energie der Elektronen des Elektronenstrahls. Dadurch können Targets mit beispielsweise einer Schichtdicke von 6 µm Wolfram von Targets mit einer Schichtdicke von 1 µm Wolfram unterschieden werden. Zur Identifizierung des Targets wird beispielsweise die Energie des Elektronenstrahls beginnend bei 40 keV eingestellt und in 5 keV Schritten erhöht, bis eine Energie von beispielsweise 160 keV erreicht wurde. Die Rückstreuelektronen werden bei jedem Energieschritt gemessen und als Funktion der Energie aufgetragen. Die Form und Lage des Graphen ermöglicht eine Identifizierung des Targets.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Durch das den gerade beschriebenen Erkennungsverfahren nachgeschaltete Einstellverfahren der Kenngrößen - die in einer Datenbank abgelegt sind - des in der Röntgenröhre verbauten Transmissionstargets aufgrund der Identifizierung des verwendeten Transmissionstargets, indem diese Kenngrößen an die Einstellvorrichtungen für die jeweiligen Kenngrößen übertragen werden, wird verhindert, dass das verbaute Transmissionstarget Schaden nimmt, weil die Röntgenröhre mit den falschen Kenngrößen betrieben wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre im Bereich seines Transm issionstargets,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels in demselben Bereich wie in 1 dargestellt und
- 3 eine schematische Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Erkennungsverfahren bei unterschiedlichen Targetschichtdicken.
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Die Targeterkennung ist problematisch. Anhand von 1 wird schematisch der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre im Bereich seines Transmissionstargets erläutert.
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Das Transmissionstarget weist eine Trägerschicht 1 auf, auf der eine Targetschicht 2 aufgetragen ist. Die Trägerschicht 1 ist in ihrer Draufsicht - in 1 von unten gesehen - rund ausgebildet und die ebenfalls in Draufsicht als Kreisscheibe ausgebildete Targetschicht 2 ist um die Mittelachse der Trägerschicht 1 herum konzentrisch ausgebildet. Im Bereich des Randes der Trägerschicht 1 ist konzentrisch um die vorgenannte Mittelachse und mit einem Abstand zur Targetschicht 2 ein Identifizierungsmaterial 9 auf der Trägerschicht 1 angebracht. Außerdem ist ein Targetstrommessgerät 5 mit der Trägerschicht 1 verbunden, mittels dem der Strom gemessen werden kann, der aufgrund des auf das Transmissionstarget auftreffenden Elektronenstrahls 7 entsteht.
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Der Elektronenstrahl 7 kann mittels einer Ablenkeinheit 6 - einer elektrischen Spule - auf verschiedene Bereiche des Transmissionstargets gerichtet werden. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls 7 auf dem Identifizierungsmaterial 9 - prinzipiell dasselbe gilt auch beim Auftreffen auf dem Targetmaterial der Targetschicht 2 - entstehen Rückstreuelektronen 8, die von einer Elektronenhülse 3 absorbiert werden. An der Elektronenhülse 3 ist ein Rückstreuelektronenstrommessgerät 4 angeschlossen, das den Strom der die Elektronenhülse 3 treffenden Rückstreuelektronen 8 misst.
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Der Anteil der Rückstreuelektronen 8 - also derjenigen Elektronen des Elektronenstrahls 7, die vom Transmissionstarget zurückgestreut werden - hängt bei kompaktem Material im Wesentlichen von dem Material und dem Winkel ab, unter dem die Elektronen des Elektronenstrahls 7 auf das Material auftreffen. Treffen diese Elektronen beispielsweise auf Wolfram, werden etwa 20% der Elektronen als Rückstreuelektronen 8 zurückgestreut. Bei Beryllium liegt dieser Anteil bei nur etwa 5%. Bei dünnen Materialschichten hängt die Menge der Rückstreuelektronen 8 zusätzlich von der Materialschichtdicke und der Energie der Elektronen im Elektronenstrahl 7 ab.
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Aufgrund der elektrischen Isolierung der Elektronenfanghülse 3 vom Transmissionstarget, insbesondere von der Trägerschicht 1, kann sowohl der Strom der Rückstreuelektronen 8 - der Rückstreuelektronenstrom - als auch der Strom der Elektronen des Elektronenstroms 7, die das Transmissionstarget treffen - die Targetschicht 2 und das Identifizierungsmaterial 9 sind elektrisch leitend mit der Trägerschicht 1 verbunden - gemessen werden. Der erstgenannte Strom wird über das mit der Elektronenfanghülse 3 verbundene Rückstreuelektronenstrommessgerät 4 und der zweitgenannte Strom wird über das mit der Trägerschicht 1 verbundene Targetstrommessgerät 5 gemessen.
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Das Verhältnis der beiden gemessenen Ströme gibt dann Auskunft über das Material und/oder die Schichtdicke, auf das der Elektronenstrahl 7 auftrifft; im Ausführungsbeispiel der 1 ist dies das Identifizierungsmaterial 9. Wenn eine eindeutige Zuordnung des Identifizierungsmaterials 9 zu der Art des Transmissionstargets gegeben ist, kann aus dem erkannten Identifizierungsmaterial 9 sofort auf die Art des verbauten Transmissionstargets geschlossen werden. Es kann dann automatisch die Einstellung der Kenngrößen, die zu der erkannten Art des Transmissionstargets passen, vorgenommen werden. Somit wird nicht versehentlich ein nur für geringe Leistungen ausgelegtes Transmissionstarget zu hohen Belastungen ausgesetzt und zerstört. Die Werte für den Anteil der Rückstreuelektronen 8 und die jeweilige Zuordnung zu einer konkreten Art von Transmissionstarget sind in einer Datenbank niedergelegt, so dass die Erkennung der Art von Transmissionstarget automatisch erfolgt. In derselben Datenbank sind die, der identifizierten Art des verwendeten Transmissionstargets, zugeordneten Kenngrößen abgelegt und diese Kenngrößen werden an die Einstellvorrichtungen für die jeweiligen Kenngrößen übertragen. Mit den dadurch eingestellten Kenngrößen kann somit das Transmissionstarget nicht beschädigt werden.
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Das Erkennungsverfahren wird vor Inbetriebnahme des Transmissionstargets durchgeführt, um jedwede Beschädigung des Transmissionstargets durch am Anfang des Betriebs eventuell falsch eingestellten Kenngrößen zu verhindern. Dazu wird der Elektronenstrahl 7 mittels der Ablenkvorrichtung 6 während eines dem Betrieb vorgeschalteten Identifizierungsmodus auf den Randbereich des Transmissionstargets abgelenkt und trifft dort auf den Identifizierungsbereich 10 mit dem dort angeordneten Identifizierungsmaterial 9. Aufgrund der oben angesprochenen eindeutigen Zuordnung der Art des Transmissionstargets zu diesem Identifizierungsmaterials 9 werden dann bevor der Elektronenstrahl 7 auf das Targetmaterial im Bereich der Targetschicht 2 durch Um- oder Ausschalten der Ablenkeinrichtung 6 gerichtet wird, die dem Targetmaterial zugeordneten Kenngrößen eingestellt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem gerade beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der 1 nur in einem einzigen Punkt: Im Identifizierungsbereich 10 ist auf der Trägerschicht 1 gar kein zusätzliches Identifizierungsmaterial 9 aufgebracht, sondern das Trägermaterial der Trägerschicht 1 dient zur Identifizierung der Art des Transmissionstargets. Diese Erkennung und die nachgeschaltete automatische Einstellung der Kenngrößen erfolgt genauso wie zu 1 beschrieben. Um eine eindeutige Erkennung der Art des Transmissionstargets zu ermöglichen, ist es beim zweiten Ausführungsbeispiel der 2 zwingend erforderlich, dass unterschiedliche Arten von Transmissionstargets jeweils unterschiedliche Trägerschichten 1 aufweisen.
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Im linken Teil der 3 ist ein Transmissionstarget mit einer dickeren Targetschicht 2 als im rechten Teil derselben Figur dargestellt. Die Dicke der Targetschicht 2 im linken Teil beträgt beispielsweise 6 µm und im rechten Teil nur 1 µm. Die Targetschicht 2 besteht in beiden Fällen aus demselben Material, beispielsweise aus Wolfram. Der Elektronenstrahl 7 trifft in beiden Fällen unter einem wählbaren Einfallswinkel auf die Oberfläche der Targetschicht 2 auf. Dieser Einfallswinkel wird während der Durchführung des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Targeterkennung unverändert gelassen.
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Das Verfahren zur Targeterkennung gemäß der 3 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Verfahren grundsätzlich in einem einzigen Punkt: Der Elektronenstrahl 7 muss nicht auf einen Identifizierungsbereich 10 mit separatem Identifizierungsmaterial 9 gelenkt werden. Zur Identifizierung des Transmissionstargets wird die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 7 variiert. Beispielsweise wird bei einer Energie von 40 keV begonnen und die Energie Schrittweise um 5 keV erhöht, bis eine Energie von 160 keV erreicht wurde. Die gemessenen Rückstreuelektronen 8 können anschließend als Funktion der Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 7 aufgetragen werden. Der Verlauf der Funktion und die Kenntnis der vorhanden und potentiell einsetzbaren Targets (alle verwendeten Trägermaterialien, Targetmaterialien und Schichtdicken) geben Auskunft darüber, welches Target aktuell verbaut ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerschicht
- 2
- Targetschicht
- 3
- Elektronenfanghülse
- 4
- Rückstreuelektronenstrommessgerät
- 5
- Targetstrommessgerät
- 6
- Ablenkeinheit
- 7
- Elektronenstrahl
- 8
- Rückstreuelektronen
- 9
- Identifizierungsmaterial
- 10
- Identifizierungsbereich
