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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Versorgung
für eine
Röntgeneinrichtung,
die im wesentlichen aus elektrischen Leitungen besteht, die zwischen
einem Hochspannungskreis und einer Röntgenröhre der Röntgeneinrichtung angeordnet sind.
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Röntgenröhren sind
als Hochvakuumröhren aufgebaut.
Durch das Hochvakuum werden Überschläge zwischen
der Kathode und der Anode der Röntgenröhre bei
Anlegen der Röntgenspannung, die
sich im Kilo-Volt-Bereich bewegt, grundsätzlich verhindert. Geringe
Mengen an Restgasen, die das Hochvakuum verunreinigen, sind jedoch
unvermeidlich. Dies gilt insbesondere deshalb, weil im Laufe des
Betriebs der Röntgenröhre gasförmige Materialbestandteile
im Inneren der Röhre
austreten. Die Restgase können
durch die Röntgenspannung
ionisiert werden. Durch die Ionisation kommt es zum Überschlag
und damit zum Kurzschluss innerhalb der Röntgenröhre.
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Die zeitlichen Verläufe der
Kurzschlussströme
und der dadurch verursachten Vorgänge zum Ladungsausgleich in
der Leitungen der Hochspannungs-Versorgung weisen teilweise sehr
hohe Flankensteilheiten auf. Das resultierende Störspektrum reicht
daher bis in den oberen Mega-Hertz-Bereich hinein und ist sehr breitbandig.
Zudem verursachen die Kurzschluss- und Ladungsausgleich-Ströme mit Überspannungen
verbundene Schwingungen, die nur sehr langsam abklingen.
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Durch derartige Störsignale
und Überspannungen
im Hochspannungskreis der Röntgeneinrichtung
kann es zu Funktionsstörungen
der Elektronik und der Computereinrichtung kommen. Häufig treten auch
Bauteilausfälle
auf, vor allem im Hochspannungskreis des Röntgengenerators. Neben Ausfallzeiten
beim Betrieb und kostspieligen Schäden an der Röntgeneinrichtung
verursachen die Störungen auch
eine erhöhte
Strahlungsbelastung der zu untersuchenden Patienten, die aufgrund
von Anlagenausfällen
wiederholt untersucht werden müssen.
Eine Dämpfung
der Störsignale
durch ausreichend hochohmige Leitungen in der Hochspannungs-Versorgung
verbietet sich jedoch, da Nutzsignale gleichermaßen stark gedämpft würden, z.B.
der Kathoden-Heizstrom,
der maßgeblich
für die
Elektronen-Emissivität
der Kathode ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Hochspannungs-Versorgung
für eine
Röntgeneinrichtung
anzugeben, in der Störsignale
und Überspannungen,
die aufgrund von Kurzschlüssen
in der Röntgenröhre auftreten,
so stark gedämpft
werden, dass Funktionsstörungen
der Elektronik und Bauteilbeschädigungen
innerhalb der Röntgeneinrichtung vermieden
werden, während
gleichzeitig Nutzsignale möglichst
verlustfrei geleitet werden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Röntgeneinrichtung
mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht
darin, Schwingungen und Störsignale
innerhalb der Hochspannungs-Versorgung der Röntgeneinrichtung, also zwischen
Röntgengenerator
und Röntgenröhre, zu
dämpfen.
Die Dämpfung
wird durch Verwendung von Hochspannungs-Leitungen in der Hochspannungs-Versorgung
bewirkt, deren elektrischer Widerstand für elektrische Signale mit zunehmender
Frequenz stark wächst.
Dazu werden die Widerstandseigenschaften der Hochspannungs-Leitungen
unter Ausnutzung des sogenannten Skin-Effekts geeignet eingestellt.
Durch den Skin-Effekt verlagert sich der von der elektrischen Leitung
durchdrungene Bereich zum äußeren Rand
einer Leitung hin. Zur Einstellung geeigneter Dämpfungseigenschaften genügt es daher,
den Randbereich der Hochspannungs-Leitungen aus einem für hochfrequente
Signale hochohmigen Material aufzubauen, während der Kern aus einem für die Nutzsignale
niederohmigen Material besteht. Durch Verwendung derart aufgebauter
sogenannter Skin-Effekt-Leitungen werden hochfrequente Stör signale
stark gedämpft,
während niederfrequente
Nutzsignale mit nur geringen Verlusten geleitet werden. Die Erfindung
ist einfach und unaufwändig
realisierbar und erfordert außer
geeignet aufgebauten Hochspannungs-Leitungen keinerlei zusätzliche
Bauelemente.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass die Widerstandseigenschaften der Hochspannungs-Leitung
so eingestellt werden, dass sie für Frequenzen im Bereich von
bis zu 100 kHz einen geringen Widerstand aufweist, für Frequenzen
von mehr als 1 MHz einen äußerst hohen Widerstand.
Dadurch können
Störsignale,
die normalerweise Frequenzen von mehr als 1 MHz haben, stark gedämpft werden.
Gleichzeitig jedoch werden Nutzsignale wie der Kathoden-Heizstrom,
der normalerweise eine Frequenz einer Größenordnung von einigen kHz
hat, nahezu verlustfrei geleitet. Welche Maße für den Randbereich und den Kern
der Leitungen zu verwenden sind und welche Materialien eingesetzt
werden, ist je nach den weiteren Umständen wählbar und durch den Fachmann
ohne weiteres ermittelbar.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Figuren näher
beschrieben. Die Figuren zeigen:
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1 prinzipieller
Aufbau des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung,
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2 Spannungsverhältnisse
in der Hochspannungs-Versorgung während des Betriebs der Röntgeneinrichtung,
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3 Spannungsverhältnisse
in der Hochspannungs-Versorgung unmittelbar nach Auftreten eines
Kurzschlusses in der Röntgenröhre,
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4 Querschnitt
durch eine Variante der Skin-Effekt-Leitung gemäß der Erfindung,
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5 Querschnitt
durch eine weitere Variante der Skin-Effekt-Leitung gemäß der Erfindung.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung
gemäß Stand
der Technik dargestellt. Innerhalb des Röntgengenerators 1 erzeugt
ein Primärspannungsgenerator 3 eine
Primärspannung,
die an Hochspannungs-Transformatoren 5 weitergeleitet und
von diesen in eine für
den Betrieb der Röntgenröhre ausreichende
Hochspannung transformiert wird. Die von den Hochspannungs-Transformatoren 5 abgegebene
Hochspannung wird an die Bauelemente 7, in denen eine Gleichrichter-Diode
und eine Glättungs-Kapazität angedeutet
sind, weitergeleitet und von diesen gleichgerichtet und geglättet. Die
Bauelemente 7 geben die Hochspannung an die Dämpfungs-Widerstände 9 (RD) ab. Die Dämpfungs-Widerstände 9 (RD) haben
die Aufgabe, den Röntgengenerator 1 weitgehend
vor Überspannungen
und Störsignalen
aus der Hochspannungs-Versorgung zu schützen. Sie weisen normalerweise
Werte in der Größenordnung
einiger Kilo-Ohm auf.
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An den Röntgengenerator 1 ist
durch eine dazwischen liegende Hochspannungs-Versorgung die Röntgen-Röhre 15 angeschlossen,
wobei die Hochspannungs-Versorgung im wesentlichen aus einer anodischen
Hochspannungs-Leitung 11 und einer kathodische Hochspannungs-Leitung 13 besteht. Die
Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 sind als koaxial
abgeschirmte Leitungen aufgebaut, was durch die zeichnerische Darstellung
als Kasten anstelle einer Linie angedeutet ist. Die anodische Hochspannungs-Leitung 11 verbindet
den Ausgang des Röntgengenerators 1 mit
der Anode 17 der Röntgenröhre 15.
Analog verbindet die kathodische Hochspannungs-Leitung 13 die
Kathode 19 der Röntgenröhre 15.
Die Röntgenröhre 15 kann
zweistrahlig, d.h. als Zweifokusröhre, ausgebildet sein, weswegen
die Kathode 19 andeutungsweise mit zwei Wendeln dargestellt
ist. Die beiden Wendeln der Kathode 19 werden durch den
Heiztransformator 21 mit Heizstrom versorgt, um die Elektronen-Emissivität zu erhöhen.
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Um die Probleme zu verringern, die
in Zusammenhang mit in der Röntgenröhre 15 auftretenden
Kurzschlüssen
verursacht werden, ist es bekannt, am Röntgengenerator 1 hochohmige
Dämpfungs-Widerstände 9 (RD) im Kilo-Ohm-Bereich vorzusehen und weiter
in der gesamten Röntgeneinrichtung
auf die saubere Erdung aller Komponenten zu achten, um eindeutige
Bezugspotentiale zu gewährleisten
und Induktionsschleifen zu vermeiden. Die saubere Erdung aller Komponenten
ist durch die mehrfache Erdung 23 der durch eine koaxiale
Abschirmung umgebenen Hochspannungs-Leitungen dargestellt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung.
Durch den Generator 31 wird die Röntgenspannung U0 erzeugt
und über
die Dämpfungs-Widerstände 9 (RD) an die Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 abgegeben. Über die
Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 liegt die Spannung
an der Röntgenröhre an,
die hier als Lastwiderstand 33 (RL)
eingezeichnet ist. Der Hochspannungskreis ist während des Betriebs dargestellt,
d.h. in eingeschwungenem Zustand. Die anodische Hochspannungs-Leitung 11 liegt
auf ihrer gesamten Länge
auf Potential U0, die kathodische Hochspannungs-Leitung 13 liegt
auf ihrer gesamten Länge
auf –U0 Volt. Der Anschaulichkeit halber wird in 2 und in der folgenden 3 lediglich die anodische
Seite betrachtet und die kathodische außer Acht gelassen. Die Potenzialverteilung
auf der anodischen Hochspannungs-Leitungen ist in 2 durch Pfeile angedeutet, die mit plus,
minus und U0 bezeichnet sind. Der Potentialabfall
in den Dämpfungs-Widerständen 9 (RD) soll vernachlässigt werden.
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3 zeigt
die gleiche schematische Darstellung des Hochspannungskreises wie
zuvor 2 unter Verwendung
der gleichen Bezugszeichen. 3 zeigt
den Hochspannungskreis je doch zu einem anderen Zeitpunkt, nämlich unmittelbar
nach Auftreten eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre. Das Auftreten eines Kurzschlusses
in der Röntgenröhre ist
damit gleichbedeutend, dass der Lastwiderstand 33 (RL) verschwindend gering wird, d.h. RL = 0.
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Das Verschwinden des Lastwiderstandes 33 (RL) hat zur Folge, dass die Spannung an den
Hochspannungs-Leitungen 11 sowie 13 zusammenbricht, weil
die Ladungen, die sich auf den Hochspannungsleitungen 11 sowie 13 befinden, über den
Kurzschluss in der Röntgenröhre abfließen können. Diese Art
der Entladung einer gleichmäßig aufgeladenen Leitung
ist ein Standardproblem, das in der Literatur bestens bekannt ist.
Näherungsweise
kann der Entladungsvorgang so beschrieben werden, dass die Hälfte der
Ladungen auf der Leitung nach links läuft, die andere Hälfte der
Ladungen nach rechts. Dadurch bewegen sich Wellen mit der halben
Ausgangsspannung, also U0/2, auf jeder Leitung
nach links und rechts voneinander weg. Dies ist in 3 lediglich für die anodische Hochspannungs-Leitung 11 durch
Pfeile angedeutet, die mit + und U0/2 bezeichnet
sind, und die entlang der Hochspannungs-Leitung 11 nach
rechts bzw. links gerichtet sind. Die Pfeile sollen das Abfließen der
Ladungen symbolisieren.
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In dem Hochspannungskreis treffen
die auseinander laufenden Wellen sowohl links als auch rechts auf
Impedanz-Sprungstellen.
Links sind dies die Dämpfungs-Widerstände 9 (RD), rechts ist dies der Kurzschluss in der
Röntgenröhre, also
der Lastwiderstand 33 (RL), der
den Wert RL = 0 angenommen hat. Die Sprungstellen
in der Impedanz reflektieren die voneinander fort laufenden Wellen,
wobei ein Kurzschluss einen Reflexions-Faktor r = –1 bewirkt. An
einem Kurzschluss reflektierte Wellen wechseln daher das Vorzeichen,
vorliegend wechselt ihre Spannung also von +U0/2
auf –U0/2.
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Die reflektierten Wellen laufen anschließend wieder
aufeinander zu, begegnen sich und laufen erneut auseinander, bis
sie wieder an den Sprungstellen der Leitungsimpedanz reflektiert
werden. Für
die hin und herlaufenden Wellen ergibt sich eine von der Länge der
Hochspannungs-Leitungen 11 bzw. 13 abhängige Schwingungsdauer.
Nach einem Viertel dieser Schwingungsdauer nimmt die Hochspannungs-Leitung
auf der gesamten Länge
die Spannung 0 an, nach der Hälfte der Schwingungsdauer die
Spannung –U0 und nach drei Vierteln der Schwingungsdauer
wiederum die Spannung 0, bis sich der Schwingungsvorgang
nach einer ganzen Schwingungsdauer zu wiederholen beginnt. Die Schwingung
setzt sich grundsätzlich
endlos fort, wird in der Realität
aber durch Leitungsverluste gedämpft.
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Der Vereinfachung halber wurde der
Vorgang nur für
die anodische Hochspannungs-Leitung 11 beschrieben, die
Vorgänge
auf der kathodischen Hochspannungs-Leitung 13 verlaufen
grundsätzlich analog
dazu mit umgekehrtem Vorzeichen.
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Im Ergebnis wird auf den Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 eine
Schwingung erhalten, bei der auf der jeweiligen Leitung selbst zwar
keine Überspannungen
auftreten, die aber wechselnd die Spannungen +U0 und –U0 annimmt. Daher tritt an den Dämpfungs-Widerständen 9 (RD) im Verlauf der Schwingung die doppelte
Spannung auf, also 2U0. Bei einer Länge der
Hochspannungs-Leitungen von beispielsweise 12 Metern ergibt sich
je nach Ausführung
eine Schwingungsdauer von etwa 250 Nanosekunden, also eine Frequenz
in der Größenordnung von
einigen Mega-Hertz. Diese Schwingung, die als Störsignal aufzufassen ist, und
die dabei auftretenden Überspannungen,
können
Bauteilausfälle
und Betriebsstörungen
in der Röntgeneinrichtung
bewirken.
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4 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Dargestellt ist ein
Querschnitt durch eine der Hochspannungs-Leitungen 11, 13.
Der Querschnitt zeigt einen Kern 37 und einen Randbereich 39.
Die Materialien sind so gewählt,
dass der Randbereich 39 einen höheren elektrischen Widerstand
als der Kern 37 aufweist.
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Aufgrund des sogenannten Skin-Effekts durchdringen
elektrische Signale mit zunehmenden Frequenzen einen immer geringeren,
außenliegenden
Bereich des Querschnitts der Leiter 11, 13. Die elektrische
Leitung verläuft
also in zunehmendem Maße
nur noch im äußeren Bereich
des Querschnitts, dessen elektrischer Widerstand damit die Leitfähigkeit
der Leiter 11, 13 bestimmt. Im Gegensatz dazu
werden Signale niedriger Frequenzen oder Gleichstrom-Signale nahezu
durch den gesamten Querschnitt der Leiters 11, 13 geleitet,
so dass bei niedrigeren Frequenzen die Materialien des gesamten
Leiter-Querschnitts dessen elektrischen Widerstand beeinflussen.
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Die zuvor in 2 und 3 beschriebenen Störsignale
in der Hochspannungs-Versorgung 11, 13, 23 weisen
Frequenzen in der Größenordnung von
mehreren Megahertz auf. Im Gegensatz dazu wird die Röntgenspannung
als Gleichstrom-Signal erzeugt und der Kathoden-Heizstrom weist
Frequenzen in der Größenordnung
von einigen kHz auf. Daher ist bei geeigneter Ausführung der
Leiter 11, 13 damit zu rechnen, dass die Störsignale
vor allem den Randbereich 39 der Leitung 11, 13 durchdringen, während Nutzsignale
hauptsächlich
durch den Kern 37 geleitet werden. Um eine verlustfreie
Leitung von Nutzsignalen zu gewährleisten,
besteht der Kern 37 daher aus einem gut leitfähigem Material,
z.B. aus Kupfer. Um andererseits hochfrequente Störsignale möglichst
stark zu dämpfen,
besteht der Randbereich 39 aus einem Material geringerer
Leitfähigkeit, z.B.
aus Eisen.
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Die Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit der
beschriebenen Skin-Effekt-Leitung hängt zum einen von dem elektrischen
Widerstand der gewählten Materialien
ab. Zum anderen hängt
sie aber aber auch von dem mit zunehmender Frequenz geringer werdenden
Leitungsquerschnitt, der zur elektrischen Leitung beiträgt, ab;
Leitungsquerschnitt und Leitfähigkeit
verhalten sich proportional zueinander. Darüber hinaus kann die Verringerung
des zur Leitfähigkeit
beitragenden Leitungsquer schnitts mit zunehmender Frequenz aufgrund
der Abhängigkeit
der Eindringtiefe von der Permeabilität durch geeignete Materialwahl
noch weiter verstärkt
werden.
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Für
die Eindringtiefe der elektrischen Signale in den Querschnitt des
Leiters gilt die Formel
mit δ = Eindringtiefe, f = Frequenz, σ = spezifischer Widerstand, μ = Permeabilität.
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Aus der Formel ist ersichtlich, dass
die Eindringtiefe mit zunehmender Permeabilität des Leitermaterials abnimmt.
Die Permeabilität
von Eisen ist größer als
die von Kupfer, so dass bei höheren
Frequenzen, in denen nur noch der Randbereich 39 aus Eisen
zur Leitung beiträgt,
die Eindringtiefe in verstärktem
Maße abnimmt.
Dadurch wird also der zur elektrischen Leitung beitragende Querschnitt
des Leiters 11, 13 in verstärktem Maße geringer und die Leitfähigkeit
schlechter.
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Unter Berücksichtigung der oben genannten Formel
muss die Dicke des Randbereichs 39 in Abhängigkeit
von der Permeabilität
und den erwarteten Signal-Frequenzen nun so bemessen werden, dass niederfrequente
Nutzsignale mit Frequenzen bis zu derjenigen des Kathoden-Heizstroms,
die üblicherweise
in der Größenordnung
von einigen kHz liegt, überwiegend
durch den niederohmigen Kern 39 geleitet werden, dahingegen
hochfrequente Störsignale üblicherweise
mit mehr als 1 MHz überwiegend
und möglichst
ausschließlich
im hochohmigen Randbereich 39. Aufgrund der hohen Störsignal-Frequenzen in
Röntgeneinrichtungen
ist eine sehr geringe Eindringtiefe zu erwarten und die Dicke des
Randbereichs 39 kann dementsprechend verhältnismäßig dünn gewählt werden,
z.B. als Überzug
oder als Folie des Kerns 37.
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Die Bemessung der Dicke des Randbereichs 39 und
des Durchmessers des Kerns 37 nimmt der Fachmann unter
Beachtung der oben genannten Formel ohne weitere Schwierigkeiten
vor, je nach dem, welches Leiter-Material mit welcher Permeabilität eingesetzt
werden soll, welches Ausmaß des Dämpfungseffektes
erreicht werden soll und welche weiteren Bedingungen vorgegeben
sind, zum Beispiel dem maximal zulässigen Nutzstrom oder tolerierbaren
Störstrom.
Für eine
möglichst
gute Leitung für
Gleichstrom-Nutzsignale wird der Kern 37 dabei von vorneherein
in Anpassung an diese Signale ausreichend Dick gewählt werden.
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Vorteilhafter Weise wird der Fachmann
die Dicke des Randbereichs 39 dabei so bemessen, dass Störsignale
mit Frequenzen in der Größenordnung
von MHz vollständig
im Randbereich 39 geleitet werden. Die Dicke des Randbereichs
wird dazu größer als
die Eindringtiefe der Störsignale
gewählt. Gleichzeitig
wird er die Dicke des Randbereichs aber so gering halten, dass Nutzsignale
zu möglichst
großen
Teilen im Kern 37 geleitet werden. Die Dicke wird dazu
also kleiner als die Eindringtiefe der Nutzsignale gewählt. Um
eine möglichst
gute Leitfähigkeit
für Nutzsignale
zu erzielen, wird die Dicke des Randbereichs dazu sogar wesentlich
kleiner als die Eindringtiefe der Nutzsignale gewählt werden,
z.B. um mindestens den Faktor 5 kleiner.
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In 5 ist
ein weiteres, besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt,
in dem die Leitung 11, 13 einen zentralen Bereich
mit drei einzelnen Kernen 37 aufweist. Der Randbereich 39 kann wie
zuvor beschrieben verhältnismäßig dünn sein und
z.B. als Folie um die Kerne 37 gewickelt werden. Die Kerne 37 können einzelne,
elektrisch voneinander isolierte Leiter sein. Es kann sich z.B.
um die drei Kathoden-Heizstrom-Leiter
handeln, die in der vorangehenden 1 dargestellt
sind.
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Die in 5 beschriebene
Variante weist den Vorteil auf, dass die hochfrequenten Störsignale im
Randbereich 39 stark gedämpft werden, während die
Nutzsignale ausschließlich
durch die Kerne 37 geleitet werden, ohne durch das Material
oder die Leitfähigkeit
des Randbereichs 39 beeinflusst zu werden. Gleichzeitig
ist die Herstellung durch einfache Umwicklung der Kerne 37 mit
Eisenfolie besonders einfach und unaufwendig.
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Die in 4 und 5 dargestellten Skin-Effekt-Leitungen können ohne
zusätzliche
Maßnahmen
in eine Röntgeneinrichtung,
wie sie in 1 dargestellt
ist, als Hochspannungs-Leitungen 11, 13 eingebaut
werden. Sie sind, wie oben beschrieben, als koaxial abgeschirmte
Leitungen ausgeführt,
was in 4 und 5 aber nicht dargestellt
ist. Stattdessen sind hier lediglich die innerhalb des koaxialen Schirms
liegenden Signalleiter dargestellt.
