DE3222511A1

DE3222511A1 - Feinfokus-roentgenroehre und verfahren zur bildung eines mikrofokus der elektronenemission einer roentgenroehren-gluehkathode

Info

Publication number: DE3222511A1
Application number: DE3222511A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 3050 Wunstorf Reinhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Feinfocus Verwaltungs & Co Kg 3050 Wunstorf GmbH
Priority date: 1982-06-16
Filing date: 1982-06-16
Publication date: 1983-12-22
Also published as: ATE29088T1; JPS598251A; EP0096824B1; EP0096824A1; DE3222511C2; US4573186A; JPH0618119B2

Description

PATENTANWALT

DiPL.-PHYS. DR. WALTHER JUNIUS 3 Hannover

WOLFSTRASSE 24 · TELEFON (05 t J) 83 45 30 Q_

- Wr- Ir.J/Ha

Leine Akte: 7>i-

Dipl.-Ing. Alfred Reinhold, Opferkamp 1, 5050 ./unstorf 1

Feinfokus-Röntgenröhre und "Verfahren zur bildung eines Hikrofokus der Elektronenemission einei" Köntgenröhren-

Glühkathode

Die .'Erfindung betrifft eine Peinfokus-Röntgenröhre, in deren evakuiertem Kolben eine von einem Gritter ungebens Gflühlzatliode und eine mit Target, elektromagnetischen ."Jlektronenstrahlbündelungs- und -ablenkungsvorrichtung und einer Jiintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht sind und ein Verfahren zur Bildung eines Hikrofokus der Elektronenemission einer Röntgenröhren-Glühkathode.

In dem Bestreben, das Auflösungsvermögen bei Röntgengeräten zu steigern, um immer kleinere Details in Röntgenaufnahmen zu erkennen, z.B. feinste Haarrisse in Turbinenschaufeln, wurden Röntgenröhren entwickelt, deren G-lühlcnthoden aus immer feineren Drähten hergestellt v/urden und die vie spitze Nadeln geformt v/urden, um die IDlektronenaustrittsfleiche an der Nadelspitze - möglichst klein zu gestalten. Hur so glaubte man bisher der Regel aus der Optik, - je kleiner und punktförmiger die Lichtquelle, umso höher das Auflößungavermögen -, entsprechen zu können und scharfe Röntgenbildaufnahmen erzielen zu können.

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Ss gelingt auch., auf diesem V/ege das Auflösungsvermögen eines Röntgengerätes erheblich zu steigern, doch nur um den Preis einer geringeren Elektronenemission und um den Preis einer stark verkürztenLebensdauer der Glühkathode. Die geringere Elektronenemission führt dazu, daß man in der medizinischen Anwendung von Röntgengeräten längere Expositionszeiten "benötigt und dadurch den Patienten stärker "belastet, während in der Anwendung von Röntgengeräten zur Materialprüfung dem Durchdringungsvermögen Grenzen gesetzt sind, die Untersuchungen erheblic! längere Zeit in Anspruch nehmen und die EinsatzmöglicL.-keiten am bewegten Untersuchungsobjekt erheblich eingeschränkt werden. Die stark verkürzte Lebensdauer der Glühkathode macht deren häufiges Auswechseln erforderlich, ein Vorgang, bei dem nach dem Auswechseln die Röntgenröhre erst wieder evakuiert werden muß, ehe sie erneut einsatzbereit ist. Das ist ein zeitaufwendiger Vorgang, der das Verhältnis von Benutzungszeit zu Stillstandszeit sehr ungünstig beeinflußt.

Maßnahmen am Target der Röntgenröhre zur Verbesserung der Auflösung führten weder zur Vermeidung der aufgezeigten Nachteile an der Kathode noch zu einer wesentlichen Verbesserung der Intensität der emittierten Röntgenstrahlen, wohl aber zu einem vorzeitigen Verschleiß der Target oberfläche. Hier am Target hielt die !Fachwelt bisher strikt die von Heel aufgestellte Regel ein, daß der Targetwinkel (Winkel zwischen der Senkrechten zur !Slektroneneinfausrichtung und der Targetoberfläche) zwischen 10° und 40° liegen solle, weil bei 30° bis 33° $argetwinkel ein Maximum der Intensität der Röntgenstrahlungsabstrahlung liegt. Da hier am Target keine Verbesserungen möglich erschienen, richteten sich die Versuche zur Verbesserung der Intensität auf die Kathode der Röntgenröhren und endeten an den aufgezeigten Grenzen.

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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Intensität der Elektronenemission aus einem Mikrofokus einer Glühkathode bei gleichzeitiger Steigerung deren lebensdauer erheblich zu erhöhen und die Intensität der Röntgenstrahlenemission in unerwarteter Weise zu steigern.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die lebensdauer einer Glühkathode um so höher ist, je stärker der Querschnitt des Glühdrahtes ist und umso niedriger dessen Temperatur zumindest an der Oberfläche ist, und daß auf dieser Oberfläche eines relativ dicken Drahtes sich ein Mikrofokus ausbilden läßt, wenn es nur gelingt, einen Ort der Oberfläche besonderen physikalischen Bedingungen auszusetzen, die an anderen Teilen der Oberfläche nicht herrschen und die zur Elektronenemission bevorzugt geeignet sind.

Die Erfindung besteht darin, daß man einen Glühdraht verwendet, dessen Dimensionen groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind.

Auf diese Weise erreicht man, daß trotz der Verwendung eines sehr stabilen Glühdrahtes, der infolge seiner Querschnittsgröße und seiner Oberflächentemperatur eine lange Lebensdauer aufweist, ein Mikrofokus geschaffen ist, der sich durch eine besonders hohe Intensität der Elektronenemission auszeichnet. Durch die Anordnung der Elektronenemissionsstelle in zwei Feldern, einem elektrischen PeId und einem Temperaturfeld an der Oberfläche des Glühdrahtes, deren Spitzenwerte an ein und denselben Ort fallen, lässt sich auf dem Glühdraht ein Fokus intensiver Elektronenemission von sehr kleinen Abmessungen schaffen, obwohl der Durchmesser des Glühdrahtes viel größer ist.

Dabei braucht man den winzigen Fleck erhöhter Temperatur

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nicht einmal durch äussere Strahlungseinwirkung, z.B. durch Lichteinstrahlung, Infraroteinstrahlung oder mittels eines Lasers, zu schaffen, dieser Ort erhöhter Temperatur lässt sich viel einfacher, aber ebenso wirkungsvoll dadurch schaffen, daß man die Glühkathode mit einem Wärmestrahlung absorbierenden Körper so (teilweise) umgibt, daß von allen Orten der Oberfläche des Glühdrahtes mehr Strahlung absorbiert wird als von dem Ort der Elektronenaustrittsfläche. Hierzu bietet sich das Gitter als einfaches, sowieso vorhandenes Bauelement an, wenn man es nur in geeigneter Weise dimensioniert.

Durch diese Strahlungsabsorption, aber auch mit anderen Maßnahmen der Kühlung läßt sich erreichen, daß man den Glühdrat so (unterschiedlich stark) kühlt, daß am Ort der Elektronenaustrittsfläche die höchste Temperatur an der Oberfläche des Glühdr£i$es herrscht.

!Dieses Verfahren läßt sich mit einer !"einfokus-Hontgenröhre realisieren, die sich dadurch auszeichnet, daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dimensionen groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind und daß eine Torrichtung zur Erzielung einer erhöhten Oberflächentemperatur an derjenigen Stelle vorgesehen ist, an der das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode seinen höchsten Wert erreicht.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Vorrichtung zur Erzielung einer erhöhten Temperatur eine Strahlung stark absorbierende Vorrichtung ist, welche die Glühkathode teilweise umgibt. Denn mit dieser Vorrichtung läßt sich bei geringstem Aufwand eine enorme Steigerung der Intensität der Elektronenemission erzielen.

Diese Vorrichtung' kann das soweiso in der Röntgenröhre

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vorhandene Gitter sein, wenn es nur in besonderer Weise diesem Zweck der Vfärmeabsorption angepaßt ist. Eine solche Feinfokus-Röntgenröhre zeichnet sich dadurch aus, daß das G-itter als ein starkwandiger, die Glühkathode teilweise umgebender, rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist, der die Form eines Hohlzylinders mit an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung aufweist, dessen Außenseite sich trichterförmig erwei- ; tert, wobei dieser Trichter einen './inkel von 100 bis j 140° einschließt, und daß die Glühkathode mit ihrer am I weitesten aus dem Inneren des Gitters austretenden St el- ' Ie in der Achse des Gitters in einer JSbene angeordnet ist, die im Bereich der Unterkante des trichterförmigen Teiles der Stirnseitenfläche liegt.

In dieser Röntgenröhre kann die Glühkathode so ausgeführt ^: sein, daß die Glühkathode aus einem U- oder V-förmig gebogenen Draht besteht. In Zusammenv;irken mit dem als Kühlvorrichtung wirkenden Gitter bildet sich dann in der Spitze der Biegung des Glühdrahtes ein winziger Fleck aus, der von der Kühlwirkung am wenigstens erfaßt wird und der, da er gleichzeitig am Ort der höchsten Feldstärke liegt, ' ein Ort besonders intensiver Elektronenemission ist. So ', wird hier völlig unerwartet an einer keineswegs spitzen Elektrode von bisher ungeeignet erscheinender Form und Größe ein Kikrofokus erzielt, dessen ./^rirkungsgra.d der Emission die spitzgeformten bekannten Elektroden wesentlich übertrifft. Die Kühlwirkung gerade der Oberflächenteile der Glühkathode ist die Ursache für die bedeutende Erhöhung der Lebensdauer der Glühkathode.

Eine v/eitere Steigerung der Intensität der Röntgenstrahlung, die weit über das hinausgeht, was nach der Steigerung der Elektronenemission zu erwarten ist, ist dadurch erreichbar, daß das Target eine sphärisch gekrümmte

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Oberfläche aufweist und der Targetwinkel einen ./ert zwischen O⁰ und 10° hat. Diese Steigerung ist unerwartet, weil "bisher die Fachwelt gemäß der lehre von Heel andere Targetwinkel benutzte. Hier zeigt das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Maßnahmen an der Kathode mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen an der Anode eine Steigerung der Intensität um mehr als eine Größenordnung, ohne daß ein "besonderer Aufwand getrieben wurde und ohne daß eine Einbuße an Lebensdauer entsteht.

Die besten Ergebnisse wurden mit einer Feinfokus-Rcnt genröhre erzielt, die sich dadurch auszeichnet, daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dimensionen groß gegenüber den Dimensionen der Slektronenaustrittsfläche sind, wobei dieser Draht im wesentlichen U-förmig gebogen ist, daß das Gitter als ein starkwandiger rotationssymmetrischer, die Glühkathode umgebender Körper ausgebildet ist, der in Form eines Hohlzylinders mit an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung ausgebildet ist, dessen Aussenseiteidch. trichterförmig erweitert, wobei dieser Trichter einen Winkel von 100° bis 140° einschließt, - dieses Gitter dient einerseits der elektrischen Peldausbildung, andererseits als ein strahlungsaufnehmender Körper, der an seinen nach aussen gerichteten Seiten wiederum Strahlung abgibt -, und daß die Glühkathode an ihrer am weitesten aus dem Inneren des Gitters austretenden Stelle in der Achse des Gitters in einer Ebene angeordnet ist, die im Bereich der Unterkante der trichterförmigen Seitenfläche liegt. 3ei dieser Feinfokus-Röntgenröhre weist das Target eine sphärisch gekrümmte Oberfläche auf und der Targetwinkel hat einen i^;/ert zv/ischen 0° und 10°.

Das V/es en der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Querschnitt durch die Feinfokus-Röntgenröhre ,

Pig". 2 einen Querschnitt durch die Kathode und die Anordnung des Gitters,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil der Röntgenröhre im Bereich des Targets,

Fig. 4 einen Teil des Targets,

Pig. 5 eine andere Ausbildung des G-lühdrahtes,

Pig. 6 eine weitere Ausbildung des &lühdrahtes.

Der Kolben der Röntgenröhre besteht aus zwei Teilen 1,2. Das Teil 1 nimmt "die Kathode, bestehend aus dem Heizfaden 3, der als Emitter für den Elektronenstrom 11 dient, den Anschlußkontakten 12,13 für den Heizfaden 3 und dem Sockel 14 und das Gitter 4 auf, welches ebenfalls vom Sockel 14 getragen wird und welches über den Anschlußkontakt 15 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Das als Anode dienende Teil 2 nimmt in seinem Inneren mit einem Luftspalt-26 versehene Fokussierspulen 5, Ablenkspulen 6 auf und ist mit dem Targetkopf 7 versehen, der in seinem Inneren das Target 8 (die Antikathode) und eine Abschirmung 16 aufnimmt, die eine Durchbrechung für den Austritt der am Target 8 erzeugten Röntgenstrahlen 10 aufweist, die durch das Austrittsfenster 9 austreten. Der Targetkopf wird durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt, die durch die Rohre 17 in einen Kühlraum ein- bzw. austritt. Der Kolben der Röntgenröhre weist einen Vakuumanschluß 18 auf. Die elektrischen Anschlüsse für die Fokussierspule 5 und die Aijlenkspulen 6 sind mit 19 bis 22 bezeichnet. Zwischen den beiden Teilen 1 und 2 des Kolbens

(M,_oJc) der Röntgenröhre befindet sich eine Trennwand/24, welche

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mit einer Durchlaßöffnung 25 für den L'leictronenstrom 12 vergehen ist.

In 5¹Ig. 2 ist in vergrößerter Darstellung der Aufbau von kathode und Gitter dargestellt. Über die Anschlußleontakte 12,13, die in Klemmvorrichtungen 27,23 für den U-förmig gebogenen Heizfaden (ünitter) 3 enden, wird dem Heizfaden 3 .Spannung zugeführt, die diesen Heizfaden zum Glühenbringt. Die beiden Klemmvorrichtungen ^7,28 sind dabei in einer Halterung 29 untergebracht, die mittels des Isolierringes 30 auch das Gitter 4 trägt. Dieses Gitter 4 ist als ein starkwandiger Hohlzylinder ausgebildet, der an seiner einen, den Heizfaden 3 umschließenden otirnseite einen nach innen gerichteten Vorsprung 34 aufweist,.der an seiner Aussenseite in Form eines Trichters 31 ausgebildet ist, der einen öffnungswinkel ß Ύοτα 100° bis 140°, vorzugsweise 120°, aufweist. Dieser Trichter 31 geht auf seiner Innenseite in eine zylindrische Oberfläche 32 über, die abgerundete Kante 33, über. Im Bereich dieser abgerundeten Kante befindet sich die jSbene 35, in welcher sich derjenige Oberflächenteil des Heizdrahtes 3 befindet, der Slektrone emittiert. Durch die besondere geometrische Ausbildung des Gitters wird einerseits ein elektrisches Feld erzeugt, welches seinen Spitzenwert in der Achse 36 dort hat, v/o die Achse % die dem Target zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes 3 durchbricht. Andererseits ist durch die besondere geometrische Gestaltung des Gitters 4 erreicht, daß von allen Oberflächenteilendes Heizfaden 3 mehr Strahlung an das Gitter abgegeben wird als von dem jenigen Ort des Heizfadens, an dem die geometrische Achse die dem Target zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes durchbricht. Hierdurch wird die Oberfläche des Heizdrahte überall gekühlt, jedoch ist die Kühlung am geringsten an demjenigen Ort, an dem die^eometrische Achse 36 die dem

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Target 8 zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes durchbricht. Als Durchmesser D des Heizdrahtes wird ein solcher von mehr als 0,17 mm gewählt, der Innendurchmesser Ri ist größer als 0,1 D gewählt. Diese Abmessungen sind erheblich größer als die Abmessungen, die bisher für Feinfokus-Röntgenröhren verwendet v/erden. Der Innendurchmesser Ri und der Aussendurchmesser Ra können aber auch noch erheblich größere vierte aufweisen. - In manchen Fällen ist es zweckmäßig, da£ massiv wie ein Klotz ausgebildete ringförmige Gitter 4 noch mit einer zusätzlichen Schürze

zu,
37 Versehen .. - · . um die nach aussen erfolgende Abstrahlunj von V7ärme zu vergrößern. Diese Schürze 37 wird zweckmäßiggerweise einstückig mit dem Gitter 4 hergestellt und stellt im wesentlichen einen massiven Hohlzylinder dar.

Man kann anstelle des Heizdrahtes 3 auch andere Formen für den Emitter verwenden, z.B. Emitter in den Formen, wie ', sie in Fig. 5 und 6 dargestellt sind. Diese aus massivem Material hergestellten Emitter werden ebenfalls bis zvca ' Glühen durch durchfließenden Strom erhitzt.

In Fig. 3 ist das Detail 1 aus Fig. 1 dargestellt, nämlich j ein Teil des Targetkopfes 7 und das Target 8 im Quer- I schnitt. Das Target 8 ist als ein massiver Klotz ausgeführt, der eine zylindrische oder sphärische Oberfläche auf der dem Slektronenstrom 11 zugekehrten Seite aufweist.

Die Innenseite des Targetkopfes 7 int nit einer Auskleidung 16 aus Blei versehen. Der Targetkopf 7 v/eist eine seitliche Durchbrechung auf, die durch das Strahlenaustrittsfenster 9 für die austretenden Röntgenstrahlen 10 verschlossen ist. Die am Target 8 eingestellten ,.^rerte sind anhand der Fig. 4 (Detail IV) näher erläutert: Parallel zur Röhrenachse 36 verläuft die Elektronenotrahlachse j.3 des JDlektronenstrahles mit dem ^lektronenstraiildurchnesser De.

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Der Auftreffpunkt der JUlektronenstrahlach.se ID und der Targetkrümmungsradius 3. wird so gewählt, daß sich, ein Targetwinkel a von maximal 10° ergibt. Da mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen an der Kathode bereits ein sehr dünn gebündelter Elektronenstrahl auf das Target 8 fällt, ergibt sich eine sehr geringe Breite BPo des optischen Brennflecks. Bei einer Wahl des Targetwinkels von maximal 10° wird eine sehr hohe Intensität der Röntgenstrahlung erreicht, deren Ursache noch nicht wissenschaftlich, geklärt v/erden konnte. Es wird angenommen, daß hier ähnliche Verhältnisse auftreten, wie sie bei der Totalreflexion in der Optik auftreten.

Die Glühkathode braucht nicht unbedingt aus einest stromdurehflossenen Draht su bestehen, sie kann auch indirekt beheist werden, z.B. Indaktir beheizt werden· Auch in diesem Falle iat es wichtig, daß die Dimensionen der Glühkathode, die durchaus die Form einer Badel oder eines Hagels haben kann, groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind und daß man an der Glühkathode einen Punkt mit einer gegenüber den anderen Oberflächenteilen erhöhten Oberflächenteaperatur an der Stelle hat, an der das elektrische PeId svischen Anode und Kathod seinen höchsten Wert erreicht· Es gibt aber auch Möglichkeiten, die Kathode sowohl direkt durch einen hindurchfließenden Strom als auch ausätsllch Äidirekt sra beheizen.

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Claims

Ansprüche:

Feinfokus-Röntgenröhre, in deren evakuiertem Kolben eine von einem Gitter umgebene Glühkathode und eine mit Target, elektromagnetischen Elektronenstrahlbündelungs- und -ablenkungsvorrichtungen und einer Eintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht sind, | dadurch gekennzeichnet,

daß die Glühkathode aus einem Draht besteht, dessen Dirnen-! sionen groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustritt fläche sind

und daß eine Vorrichtung zur .Erzielung einer erhöhten Oberflächentemperatur an derjenigen Stelle vorgesehen ist, an der das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode seinen höchsten Wert erreicht.
2. Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung zur Erzielung einer erhöhten Tempera- | tür eine Strahlung stark absorbierende Vorrichtung ist, welche die Glühkathode teilweise umgibt.
3. Feinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gitter als ein starkivandiger, die Glühkathode teilweise umgebender, rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist, der die Form eines. Hohlzylinders mit .an der Stirnseite nach innen gerichtetem Vorsprung aufweist, desse: Aussenseite sich trichterförmig erweitert, wobei dieser Trichter einen Kinkel von 100° bis 140° einschließt, und daß die Glühkathode mit ihrer am weitesten aus dem Inneren.des Gitters austretenden Stelle in der Achse des Gitters in einer Ebene angeordnet ist, die im Bereich der Unterkante des trichterförmigen Teiles der Stirnseitenfläche liegt.

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4. Peinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Glühkathode aus einem U- oder V-förmig gebogenen Draht besteht.
5. Peinfokus-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Target eine sphärisch gekrümmte Oberfläche aufweist und der Targetwinkel einen Wert zwischen 0° und 10° hat.
6. Verfahren zur Bildung eines Mikrofokus der Elektronenemission einer Röntgenröhren-Glühkathode, dadurch gekennzeichnet,

daß man einen Glühdraht verwendet, dessen Dimensionen groß gegenüber den Dimensionen der Elektronenaustrittsfläche sind,

daß man auf dem Glühdraht am Ort der Slektronenaustrittsfläche einen Ort erhöhter Temperatur schafft und daß man das elektrische PeId so gestaltet, daß es an diesem Ort erhöhter Temperatur seinen Spitzenwert erreicht.
7. Verfahren nach ,Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß man den Ort erhöhter Temperatur dadurch schafft, daß man die Glühkathode mit einem V/ärmestrahlung absorbierenden Körper so (teilweise) umgibt, daß von allen Orten der Oberfläche des Glühdrahtes mehr Strahlung absorbiert wird als von dem Ort der Elektronenaus tritt sf lache .
8. Verfahren nach iknspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß man den Glühdraht so (unterschiedlich stark)

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kühlt, daß am Ort der Slektronenaustrittsfläeiie die höchste temperatur an der Oberfläche des Glühdrahtes herrscht.