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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Röntgenröhren, die
einen rotierenden Anodenteller verwenden. Im Besonderen beziehen
sich Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auf eine verbesserte Anodenantriebsbaugruppe
und Herstellungsverfahren einer Anodenantriebsbaugruppe, die bei
hohen Betriebstemperaturen eine verbesserte mechanische Stabilität aufweist.
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2. Maßgebliche
Technologie
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Geräte zum Erzeugen
von Röntgenstrahlen sind
sehr wertvolle Hilfsmittel, die in einer breiten Palette an Anwendungen
sowohl im industriellen wie auch im medizinischen Bereich verwendet
werden. Solche Geräte
werden üblicherweise
zum Beispiel in den Bereichen diagnostische und therapeutische Radiologie;
in der Halbleiterfertigung und -herstellung sowie für Materialprüfungen verwendet.
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Die
Grundvoraussetzung, die der Erzeugung von Röntgenstrahlen in solchen Geräten zu Grunde liegt,
ist sehr ähnlich.
Röntgenstrahlen
oder Röntgenstrahlung
werden erzeugt, wenn Elektronen freigesetzt und beschleunigt und
dann abrupt angehalten werden. Der Prozess findet in der Regel in
einer Röntgenröhre mit
Vakuum statt, die normalerweise drei primäre Elemente enthält: eine
Kathode, die die Elektronenquelle darstellt; eine Anode, die axial
von der Kathode beabstandet ist und so ausgerichtet ist, um die
Elektronen zu aufzunehmen, die von der Kathode abgestrahlt werden;
und eine elektrische Schaltung zum Anlegen einer Hochspannung zwischen
der Kathode und der Anode.
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Die
Anoden- und Kathodenelemente sind in dem Vakuumgehäuse angeordnet
und werden dann elektrisch verbunden. Im Betrieb wird ein elektrischer Strom
an den Kathodendraht angelegt, was bewirkt, dass Elektronen abgestrahlt
werden. Ein Spannungserzeugungselement wird dann verwendet, um eine
sehr hohe Spannung (im Bereich zwischen Zehntausend bis über Hunderdtausende
von Volt) zwischen der Anode (positiver Pol) und der Kathode (negativer
Pol) anzulegen. Die hohe Spannungsdifferenz bewirkt, dass die abgestrahlten
Elektronen in Richtung einer Röntgen-"Ziel-"Fläche beschleunigt werden,
die auf der Anode angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Elektronenstrahl
auf die Kathode fokussiert, so dass die Elektronen die Zielfläche (manchmal
als Brennfleckbahn bezeichnet) an einem bestimmten Punkt, der als "Brennfleck" bezeichnet wird, treffen.
Diese Zielfläche
besteht aus hitzebeständigem
Metall mit einer relativen hohen Ordnungszahl, so dass, wenn die
Elektronen auf die Zielfläche
an dem Brennfleck aufprallen, ein Teil der entstehenden kinetischen
Energie in elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz, d.h. Röntgenstrahlen,
umgewandelt wird. Die entstehenden Röntgenstrahlen strahlen von
der Zielfläche
weg und werden dann zum Durchdringen eines Objekts, wie einen Bereich des
Körpers
einen Patienten, parallel gerichtet und dann zum Erzeugen eines
Röntgenbildes
verwendet. In vielen Anwendungen, wie einem CT-System, ist die exakte
Steuerung der Größe und Form
des Brennflecks für
die Sicherstellung eines zufriedenstellenden Röntgenbildes entscheidend.
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Im
Allgemeinen wird ein sehr kleiner Teil der elektrischen Energie,
die zur Beschleunigung der Elektronen verwendet wird, in Röntgenstrahlen
umgewandelt. Die restliche Energie wird als Hitze im Anodenbereich
und der restlichen Anode abgeleitet. Diese Hitze kann sehr hohe
Temperaturen erreichen, die die Anodenstruktur dauerhaft beschädigen und/oder
die die Betriebsleistung der Röhre
verringern können.
Um dieses Problem abzuschwächen, wird
das Röntgenziel
oder die Brennfleckbahn in der Regel auf einem ringförmigen Bereich
eines rotierbaren Anodentellers positioniert. In der Regel wird
der Anodenteller (auch als rotierendes Ziel oder rotierende Anode
bezeichnet, im Folgenden Anodenteller) an einer Rotorbaugruppe mit
einer Lagerwelle befestigt, die rotierbar durch Lager im Lagergehäuse gehalten wird.
Die Rotorbaugruppe und der Teller werden dann entsprechend an einen
Motor angeschlossen und damit rotiert. Während des Betriebs wird die
Anode rotiert und die Brennfleckbahn wird in und aus der Bahn des
auftreffenden Elektronenstrahls rotiert. Auf diese Weise treffen
die Elektronen nur kurze Zeit an bestimmten Brennflecken auf den
Anodenteller auf, wodurch die restlichen Abschnitte der Brennfleckbahn
während
der Zeit abkühlen
können,
die zum Zurückrotieren
in die Bahn des Elektronenstrahls benötigt wird. Dies senkt die Hitze,
die auf dem Ziel in bestimmten Bereichen erzeugt wird, und verringert
das Auftreten von hitzebezogenen Problemen im Anodenteller.
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Röntgenröhren mit
rotierenden Anodentellern dieser Art werden in einer Vielzahl von
Anwendungen eingesetzt, von denen einige erfordern, dass der Anodenteller
in zunehmend höheren
Geschwindigkeiten rotieren muss. Zum Beispiel werden in Mammographiegeräten verwendete
Röntgenröhren in
der Regel mit Anodenrotationsgeschwindigkeiten um 3500 Umdrehungen
pro Minute (U/min.) betrieben. Aber die Anforderungen der Industrie
haben sich geändert
und Hochgeschwindigkeitsmaschinen für CT-Scanner und andere Anwendungen
werden nun hergestellt, die mit Anodenrotationsgeschwindigkeiten
von um die 10.000 U/min. und höher
arbeiten. Diese höheren
Geschwindigkeiten sind notwendig, um die durch die immer leistungsstärkeren Elektronenstrahlen
erzeugte Hitze gleichmäßig zu verteilen.
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Die
höheren
Betriebsgeschwindigkeiten der rotierenden Anode und die höheren Hitzebelastungen,
die für
neuere Röntgengeräte typisch
sind, führen
zu verschiedenen Problemen. So werden zum Beispiel die Lager und
andere Teile der Anodenantriebsbaugruppe viel stärker belastet, auf Grund von Kräften, die
als Ergebnis höherer
Rotationsgeschwindigkeiten wirken. Diese mechanischen Belastungen
werden durch die hohen Betriebstemperaturen einer Röntgenröhre noch
erschwert. Bestehende Antriebsbaugruppen sind nicht vollkommen zufriedenstellend
bei der Behandlung dieser extremen Betriebsbedingungen. Zum Beispiel
ist eine typische Anodenbaugruppe des Stands der Technik aus mehreren
Komponenten gebildet, die unterschiedliche Materialtypen aufweisen,
und die durch viele hartgelötete
und/oder geschweißte
Verbindungsstellen verbunden sind. Der Einsatz mehrerer Komponenten und
mehrerer Verbindungspunkte kann zu Ausfällen führen und eine Quelle mechanischer
Instabilität
darstellen. Zum Beispiel kann übermäßige Hitze
dazu führen,
dass die physikalischen Verbindungen in der Anodenrotorstruktur
und dem Lagergehäuse
locker werden, im Besonderen wenn die Komponententeile und/oder
Hartlötverbindungen
aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, die unähnliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben. Mechanische Instabilitätspunkte
können
auch entstehen, wenn miteinander verbundene Teile ungeeignete Kontaktflächen aufweisen,
nicht korrekt montiert sind und/oder ungenügende Vorspannungen bei Befestigungsmitteln
haben. Auch diese Probleme werden durch die extrem hohen thermischen
Belastungen in der Rotorbaugruppe weiter erschwert. Ein jedes dieser
Probleme kann zur Instabilität
des Rotorgehäuses
beitragen, was zu einer instabilen Rotation des Anodentellers führt. Dies
zeigt sich in nicht vorhersagbarer Bewegung und Positionierung des
Brennflecks auf dem Ziel, was die resultierende Qualität des Röntgenbilds beeinträchtigt.
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Zusätzlich zur
Verschlechterung der Qualität des
Röntgenbildes
kann eine mechanische Instabilität
im Anodenantriebsgehäuse
auch zu anderen Problemen führen.
Zum Beispiel kann dies zu einem höheren Geräuschpegel und stärkerer Vibration
führen, was
einen Patienten beunruhigen oder den Bediener des Röntgenapparats
ablenken kann. Auch kann ungeprüfte
Vibration die Betriebsdauer der Röntgenröhre verkürzen.
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Angesichts
der obigen Probleme ist eine verbesserte Anodenantriebsbaugruppe
erforderlich, die zum Halten und Rotieren des Anodentellers in einer Röntgenröhre verwendet
werden kann. Im Besonderen sollte die Antriebsbaugruppe ermöglichen,
dass die Anode in sehr hohen Geschwindigkeiten ohne Vibration oder
Geräusche
rotiert werden kann. Darüber hinaus
sollte die Antriebsbaugruppe diese mechanische Stabilität selbst
bei hohen Betriebstemperaturen beibehalten.
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Eine
Anodenantriebsbaugruppe zum Einsatz in Verbindung mit einer Röntgenröhre, die
im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist, und ein Verfahren zur
Herstellung desselben, das im Oberbegriff von Anspruch 12 definiert
ist, wird in
US-5655000 offenbart.
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Kurze Übersicht über die Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Antwort auf den aktuellen Stand der
Technik entwickelt, und im Besonderen in Antwort auf diese und andere
Probleme und Anforderungen, die nicht ganz oder nicht umfassend
von derzeit verfügbaren
Antriebsbaugruppen zur Verwendung in Verbindung mit Röntgenröhren mit
rotierenden Anodentellern gelöst
wurden. Daher ist es insgesamt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung,
eine Anodenantriebsbaugruppe bereitzustellen, die in der Lage ist,
einen Anodenteller in hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu rotieren,
und die dies mit minimaler Vibration und Geräuschentwicklung leisten kann.
Ausführungsformen
der offenbarten Antriebsbaugruppe bieten auch selbst bei hohen Betriebstemperaturen
mechanische Stabilität.
Darüber
hinaus reduzieren Ausführungsformen
der Anodenantriebsaugruppe die Hitze, die vom Anodenteller auf hitzempfindlichere
Teile der Lagerbaugruppe abgeführt
wird, wie die Lager und die Lagerflächen. Weiterhin sind die Vorteile
und Merkmale in einer Anodenantriebsbaugruppe vorgesehen, die weniger Komponenten
und weniger Verbindungsstellen verwendet, was die Möglichkeiten
von mechanischen Ausfällen
auf Grund ungleicher Wärmeausdehnungen
zwischen den Komponenten, Ausfällen
an Verbindungsstellen, eine inkorrekte Komponentenpassform, eine
inkorrekte Montage und Ähnliches
verringert. Auch können
die derzeit offenbarten Ausführungsformen
der Anodenantriebsbaugruppe in einer Weise montiert werden, dass
ein gradueller Übergang
beim Wärmeausdehnungskoeffizienten
entlang des Wärmeleitpfads
zwischen der Anode und der Lagerbaugruppe besteht. Dies stellt sicher,
dass benachbarte Komponenten eng abgestimmte Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, wodurch sich die mechanischen Belastungen reduzieren,
die bei hohen Betriebstemperaturen entstehen können.
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Insgesamt
gesehen werden die obigen Vorteile und Merkmale durch eine verbesserte
rotierende Anodenantriebsbaugruppe zur Verwendung in Verbindung
mit einer Röntgenröhre verwirklicht,
die im vorliegenden Anspruch 1 definiert ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht die Anodenantriebsbaugruppe aus einer Rotorbaugruppe, die
mit dem Anodenteller über
einen Wellenabschnitt verbunden ist. Der Rotor wird rotierbar durch
eine Lagerbaugruppe gehalten, die eine Lagerwelle aufweist, die
rotierbar über
eine Lagerfläche
gehalten wird. Der Rotor bietet vorzugsweise eine Induktionsmotorfunktion,
so dass die Rotationsbewegung für
die Anode über
den Rotor ausgebildet werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lagerbaugruppe betriebsfähig
mit der Rotorbaugruppe über
eine Lagernabe verbunden. Die Lagernabe enthält vorzugsweise Mittel zum
Verringern der Hitze, die von der Anode auf die Lagerwelle und andere
Teile der Lagerbaugruppe übertragen
wird. In einer Ausführungsform
wird dies durch die Minimierung des Wärmleitpfads zwischen der Anode
zur restlichen Lagerbaugruppe über
die Konstruktion der Lagernabe verwirklicht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
verbessern die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Anodenbaugruppe
auch auf andere Weise. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Anodenbaugruppe aus Materialien dergestalt gestaltet,
dass eine inkrementelle Zunahme des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Anodenteller und den Lagerflächen der Lagerbaugruppe vorliegt.
Dieser graduelle Übergang
der Wärmeausdehnungsraten
verringert das Ausmaß der
thermischen und mechanischen Belastungen, die beim Betrieb der Röntgenröhre entlang
der Baugruppe auftreten. Darüber hinaus
ist die Lagerbaugruppe vorzugsweise dergestalt gestaltet, dass direkt
an die Anode angrenzende Komponenten – nämlich die Rotorwelle – im Wesentlichen
dieselbe Rate an Wärmeausdehnung
erfahren wie die Anode selbst. Diese Faktoren tragen zu einer ingesamten
mechanischen Stabilität
der Antriebsbaugruppe bei und gewährleisten die präzise Rotation
der Anode, die exakte und konsistente Platzierung des Brennflecks
und eine höhere
Auflösung
des Röntgenbildes.
Weiterhin führt
die höhere
mechanische Stabilität
zu einer Röntgenröhre, die
im Betrieb eine geringere Vibration aufweist und in der Folge weniger
Betriebsgeräusche
verursacht. Durch die geringere Vibration verringern sich auch die
Ausfälle der
Röntgenröhre.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die folgende Beschreibung und die angefügten Ansprüche vollkommen
offensichtlich oder können
durch Anwendung der Erfindung wie im Folgenden dargelegt erfahren
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Um
die Art und Weise besser zu verstehen, in der die oben aufgeführten und
andere Vorteile und Ziele der Erfindung erhalten werden, wird eine
spezielle Beschreibung der Erfindung mit Bezugnahme auf deren bestimmte
Ausführungsformen
gegeben, die durch die Zeichnungen im Anhang veranschaulicht werden.
Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen
der Erfindung darstellen und daher nicht als einschränkend im
Umfang betrachtet werden sollen. Die Erfindung in ihrem derzeit
erkannten besten Modus zum Herstellen und Verwenden desselben wird
mit zusätzlicher
Genauigkeit und Detail durch die Verwendung der begleitenden Zeichnungen
beschrieben und erläutert,
in denen:
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1 eine
vereinfachte Seitenansicht eines Querschnitts einer herkömmlichen
Röntgenröhre ist, die
die primären
Komponenten einer Röntgenröhre zeigt,
einschließlich
einer Antriebsbaugruppe für
den rotierenden Anodenteller;
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2 eine
Seitenansicht eines Teilquerschnitts einer aktuell bevorzugten Ausführungsform einer
Anodenantriebsbaugruppe ist, die in einer Röntgenröhre der in 1 dargestellten
Art verwendet werden kann; und
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3 eine
perspektivische Ansicht einer aktuell bevorzugten Ausführungsform
einer Lagerbaugruppe ist, die in der Anodenantriebsbaugruppe verwendet
wird.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird auf die Fig. Bezug genommen, wobei ähnliche
Strukturen mit ähnlichen Referenzbezeichnungen
versehen sind. Es versteht sich, dass die Zeichnungen diagrammatische
und schematische Darstellungen der aktuell bevorzugten Ausführungsformen
sind und die vorliegende Erfindung nicht einschränken noch notwendigerweise kleinzeichnen.
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Im
Allgemeinen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Ausführungsformen
einer Anodenantriebsbaugruppe, die in Verbindung mit einer Röntgenröhre mit
einem rotierenden Anodenteller verwendet werden kann. In bevorzugten
Ausführungsformen
ist die Anodenbaugruppe besonders in Röntgenröhren nützlich, die hohe Rotationsgeschwindigkeiten
der Anode erfordern und bei denen hohe Betriebstemperaturen auftreten.
Zum Beispiel werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung besonders in Röntgenröhren von CT-Scannern verwendet,
die Wärmespeicherfähigkeiten
um die 0,7 MHU und 2,0 MHU aufweisen. Dabei ist aber hervorzuheben,
dass die Ausführungen
der vorliegenden Erfindung auf andere Anwendungen von Röntgenröhren übertragbar
sind. 1 zeigt eine beispielhafte Umgebung einer Röntgenröhre, die
in Verbindung mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 2 und 3 zeigen
ein Beispiel einer aktuell bevorzugten Anodenantriebsbaugruppe,
die gemäß den Ausführungen
der Erfindung gestaltet ist.
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Mit
Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel einer vereinfachten
Röntgenröhre des
rotierenden Anodentellertyps dargestellt und wird allgemein mit 10 bezeichnet.
Die Röntgenröhre 10 enthält einen Röhreneinsatz 11,
in dem eine Anodenbaugruppe mit einem Anodenteller 102 angeordnet
ist, der mit einer rotierenden Welle 410 verbunden ist.
Eine Anodenantriebsbaugruppe, die im Allgemeinen mit 100 bezeichnet
wird, die im Folgenden ausführlicher
beschrieben wird, dient dazu, die Rotation des Anodentellers 102 zu
vereinfachen. Weiterhin ist dargestellt, wie der Anodenteller 102 von
der Kathodenbaugruppe 15 beabstandet ist. Wie wohlbekannt,
enthält
die Konstruktion der Kathode 15 einen Kathodenkopf und
einen Draht (nicht dargestellt), der mit einer entsprechenden Stromquelle
verbunden ist. Die Kathode und die Anode befinden sich in einer
Vakuumhülle,
die durch den Röntgen-Einsatz 11 begrenzt
ist. Auch wird in der dargestellten Ausführungsform eine Statorbaugruppe 16 um
den Halsabschnitt der Vakuumhülle
des Röntgen-Einsatzes 11 angeordnet. Wenn
der Stator 16 ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, rotiert
das Rotorteil der Anodenantriebsbaugruppe 100 (im Folgenden
ausführlich
im Detail beschrieben), die dem Stator 16 durch die Wand
der Vakuumhülle
gegenüber
liegt, in einer bestimmten Hochgeschwindigkeit, wodurch die Rotation
des Anodentellers 102 bewirkt wird.
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Wie
wohlbekannt, wird ein Elektronenstrahl (der durch die gestrichelten
Linien 20 dargestellt wird) erzeugt, indem Hochspannung
zwischen der Kathode 15 und dem rotierenden Anodenteller 102 angelegt
wird und dann der Kathodendraht (nicht dargestellt) mit elektrischem
Strom erhitzt wird. Dies führt
dazu, dass von dem Draht abgestrahlte Elektronen in Richtung der
Zielfläche
des rotierenden Anodentellers beschleunigt werden und auf diese
auftreffen. Im Idealfall trifft eine Mehrheit der Elektronen auf die
Zielfläche
an einer exakten Position auf, die als Brennfleck 17 referenziert
und so bezeichnet wird. Ein Teil der resultierenden kinetischen
Energie aus den Elektronenkollisionen führt zum Erzeugen von Röntgenstrahlen;
ein Großteil
der kinetischen Energie wird als Wärme verteilt. Die Röntgenstrahlen
werden dann von der Oberfläche
des rotierenden Anodentellers abgestrahlt, wie dies durch die gestrichelte Linie 22 in 1 dargestellt
ist. Die Röntgensignale können dann
zum Erzeugen von beispielsweise medizinischen Bildern verwendet
werden.
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Die
Qualität
der durch die Verarbeitung der Daten aus der Röntgenröhre erhaltenen Bilder und in der
Folge die Diagnosefähigkeit
der Röntgenröhre hängt von
einer Vielzahl von Faktoren ab. Zum Beispiel ist für eine hohe
Bildqualität
erforderlich, dass der aufprallende Elektronenstrahl den Anodenteller in
einem bestimmten Brennfleckbereich 17 auftrifft. Wenn Elektronen
von diesem Brennfleckbereich abweichen, ändern sich die Eigenschaften
der entstehenden Röntgenstrahlen,
was zu einer geringeren Bildqualität führt. Wie oben erwähnt, wenn
der rotierende Anodenteller 12 vibriert oder keinen präzisen Rotationspfad
einhält,
prallt der Elektronenstrahl auf die Zielfläche an Positionen auf, die
von dem gewünschten
Brennfleckbereich abweichen und mindert die entstehende Bildqualität. Solche
mechanische Instabilität
und die resultierende Vibration können durch eine Vielzahl von
Faktoren entstehen, einschließlich
der Fehlausrichtung von Teilen in der Antriebsbaugruppe, durch ungleiche
Wärmeausdehnungsraten
in den unterschiedlichen Komponentenmaterialien und hartgelöteten Verbindungen,
durch hohe Betriebstemperaturen und hohe Rotationsgeschwindigkeiten.
Zusätzlich
zur Beeinträchtigung
der Bildqualität
kann die Vibration der Röntgenstrahlenkomponenten
auch Schall verursachen, der aus der Röntgenröhre und dem Röntgengerät ausgestrahlt wird.
Der Schall kann für
den mit dem Gerät
behandelten Patienten wie auch für
den Bediener störend sein.
Weiterhin kann die Vibration letzten Endes zum Ausfall von Röhrenkomponenten
führen.
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Im
Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, die eine seitliche
Draufsicht eines Teilquerschnitts einer aktuell bevorzugten Ausführungsform einer
Anodenantriebsbaugruppe 100 ist, die in einer Röntgenröhre der
in 1 dargestellten Art verwendet werden kann. Im
Besonderen berücksichtigt
die dargestellte Anodenantriebsbaugruppe die oben erwähnten mechanischen
und thermischen Stabilitätsprobleme
zur Wahrung der Röntgenbildqualität. Im Allgemeinen
besteht die dargestellte Anodenantriebsbaugruppe 100 aus
einer Lagerbaugruppe, die allgemein mit 200 bezeichnet
wird, die angepasst ist, um eine allgemein als 400 bezeichnete
Rotorbaugruppe rotierbar zu halten. Die Rotorbaugruppe ist betriebsbereit
mit dem Anodenteller 102 verbunden, wodurch eine Rotationsbewegung
auf den Anodenteller übertragen
werden kann. Derzeit bevorzugte Ausführungsformen dieser unterschiedlichen
Komponenten werden im Folgenden detailliert beschrieben.
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2 zeigt,
wie eine derzeit bevorzugte Ausführungsform
der Lagerbaugruppe 200 eine Längszylinder-Lagerwelle 202 und
Mittel zum rotierbaren Halten der Welle 202 enthält. Anhand
eines nicht einschränkenden
Beispiels umfasst das Mittel zum rotierbaren Halten ein stationäres Zylindergehäuse 206,
das einen axialen Hohlraum bildet. In dem Hohlraum ist eine Lagerstange
angeordnet, die allgemein mit 204 bezeichnet wird, die
radial und axial die Lagerwelle 202 in einer Weise unterstützt, dass
sie die freie Rotation der Welle in dem stationären Gehäuse 206 ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Lagerstange 204 Lagerflächen, die durch die Lagerringe 208 und 209 ausgebildet
sind, die in die entsprechenden Rollkontaktelemente wie jeweils
die Lager 210 und 211 eingreifen. Dabei ist zu beachten,
dass auch weitere Lagerringe verwendet werden können oder dass die rotierbare
Halterung der Welle 200 mit anderen Konstruktionen bereitgestellt
werden kann. Wie weiter gezeigt wird, ist die Welle 202 vorzugsweise
mit zwei Umfangsnuten 224 und 225 ausgebildet,
die als Innenringe für
die Lager 210 und 211 dienen. Die Lagerringe 208, 209 sind
radial um die Welle 202 an den beiden gegenüberliegenden
Enden befestigt, und der Innendurchmesser ist dergestalt, dass die
Welle 202 aufgenommen werden kann. Nach der Montage wird
die Welle 202 rotierbar von den Lagern 210 und 211 gehalten,
die wiederum durch die entsprechenden Lagerringe 208, 209 eingeschränkt werden.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind die Lagerringe 208, 209 angesenkt, um Schultern
zu bilden, wie in 250, 251 gezeigt, die in einem
Radius ausgebildet sind, der angepasst ist, um die Lager 210, 211 aufzunehmen.
Diese Schultern 250, 251 dienen jeweils als Außenring
für die
zugehörigen
Lager 210, 211 und wahren auch die radiale und
axiale Ausrichtung der Lager und der Welle und stellen diese sicher.
In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
jeder Lagerring 208, 209 eine geeignete Anzahl von
Rollkontaktelementen wie Kugellager. In bevorzugten Ausführungsformen
kann eine kleinere Anzahl von Lagern (wie 8) in jedem Lagerring 208, 209 verwendet
werden, um sowohl die Häufigkeit,
mit der die Rollkontaktlager zusammenstoßen, und dementsprechend Lärm und Vibration
bei diesen Kollisionen zu minimieren. Angeordnet zwischen den Ringen 208 und 209 ist
ein Abstandselement 212 oder eine ähnliche Art der Anordnung,
die eine entsprechende axiale Trennung zwischen den Lagerringen 208 und 209 bereitstellt.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
ist die innere Lagerwelle 202 aus einem Material hergestellt,
das unter dem Handelsnamen CPM Rex 20 oder M62-Stahl bekannt
ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
für diese
bestimmte Material liegt bei 12,4 × 10–6 k-1 über einen
Temperaturbereich von 38 – 538 °C. Es dabei
ist hervorzuheben, dass andere Materialien, die ähnliche Wärme- und mechanische Festigkeitseigenschaften
aufweisen, ebenso verwendet werden können.
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Die
Lagerbaugruppe enthält
auch Mittel zum Verbinden der Lagerbaugruppe mit der Rotorbaugruppe.
Diese Funktion wird durch eine Lagernabe bereitgestellt, die allgemein
in 2 und 3 mit 300 bezeichnet
wird. Die Lagernabe 300 ist betriebsbereit verbunden mit
der Lagerwelle 202, so dass sie mit der Welle rotiert.
Zusätzlich
zur Verbindung der Rotorbaugruppe 400 mit der Lagerbaugruppe 200 bietet
die Lagernabe 300 in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
zwei weitere Funktionen: (1) Sie bietet einen Wärmewiderstand zwischen der
restlichen Lagerbaugruppe (d.h. den Lagern und den Lagerflächen); und
(2) sie stellt sicher, dass ein gradueller Übergang beim Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Anodenteller 102 und der Lagerwelle 202 besteht.
Diese Funktionalität
bietet eine Reihe von Vorteilen. Im Besonderen wird durch Ausbilden
eines höheren
Wärmewiderstands
weniger Hitze zur Lagerstange geleitet, wodurch sich das Auftreten
von Problemen verringert, die zu Geräuschen und mechanischer Instabilität beitragen
können,
wie die Wärmeausdehnung
und frühzeitige
Lagerausfälle.
Weiterhin stellt der Übergang
im Wärmeausdehnungskoeffizienten
weiterhin die mechanische Stabilität sicher, indem das Auftreten
mechanischer Ausfälle
reduziert wird, die vorkommen können,
wenn benachbarte Komponenten ernsthafte Unterschiede in den Wärmeausdehnungsraten
aufweisen.
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Während andere
physikalische Geometrien verwendet werden können, ist eine bevorzugte Lagernabe 300 in
der Form zylindrisch und hat darin ein Bohrloch ausgebildet, das
durch die gestrichelten Linien 310 gekennzeichnet ist und
in 3 in perspektivischer Ansicht dargestellt wird.
Das Bohrloch 310 ist größenmäßig in einem
Durchmesser (oder einer anderen geeigneten Gestaltung) ausgelegt
und geformt, die zu dem entsprechend geformten Ende 226 der
Welle 202 passt und diese in einer straff sitzenden Weise
aufnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verbindung
dann durch Schweißverbindungsstellen
oder durch eine geeignete Hartlotlegierung befestigt. Wenn geschweißt, besteht
die bevorzugte Schweißverbindungsstelle
aus zwei Schweißnähten, wobei
jeweils eine auf einer Seite der Fläche zwischen der Welle 202 und
der Nabe 300 ausgebildet ist, wie mit 230 und 231 angegeben.
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Die
bevorzugte Lagernabe 300 enthält weiterhin einen zylindrischen
Flansch 312, der am besten in 3 erkennbar
ist, der um den Umfang eines Endes der Nabe ausgebildet ist und
der gestaltet ist, um die Verbindung zur Nabe 300 (und
der rotierenden Welle 202) zur Rotorbaugruppe 400 zu
vereinfachen. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Nabe
Mittel zum Reduzieren der Wärmeübertragung
von dem Anodenteller auf die Lagerwelle. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist diese Funktion durch eine Konstruktion ausgebildet, die den
Wärmeleitungspfad
zwischen der Anode und der Lagerwelle 202 reduziert, vorzugsweise
einen Grat umfassend, der um den Umfang von Flansch 312 ausgebildet
ist. Der Grat 313 definiert ein inneres Bohrloch mit einem Durchmesser,
der größer ist
als das Bohrloch 310. Der Flansch 312 und der
Grat 313 minimieren den Wärmeleitungspfad zur Lagerstange,
wodurch ein Grad an Wärmewiderstand
zwischen dem rotierenden Anodenteller 102 und der Lagerstange 204 und den
Lagern 210, 211 bereitgestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung nutzen die Ausführungsformen
eine Lagernabe 300, die aus einem Material mit einer Wärmeausdehnungsrate gestaltet
ist, die im Bereich zwischen der des Materials des Rotorschafts 406 und
der des Materials der Lagerwelle 202 liegt, wodurch die
ungleichen Wärmexpansionsraten
zwischen benachbarten Komponenten minimiert werden. Dies wird durch
die Bereitstellung von vorzugsweise einer Lagernabe 300 verwirklicht,
die aus einem Material besteht, das üblicherweise Superlegierung
bezeichnet wird, die eine Kombination aus einer Stärke bei
hohen Temperaturen und einer Wärmeausdehnung
zwischen etwa 8,0 × 10–6 k-1
und 10,0 × 10–6 k-1
aufweist. Beispiel bevorzugter Materialien sind unter anderem Incoloy 909,
CTX 1 und Thermo-Span. Im Besonderen wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der
Nabe 300 so gewählt,
dass er zwischen dem der Komponenten liegt, die mit dem rotierenden
Anodenteller verbunden sind, z.B. dem von Rotorschaft 406 (im
Folgenden beschrieben), und dem der Komponenten der restlichen Lagerbaugruppe,
z.B. der Lagerwelle 202. Dies ermöglicht einen graduellen Übergang
in den Wärmeausdehnungskoeffizienten
entlang des Wärmeleitpfads
zwischen der Anode 102 und der Lagerbaugruppe 200.
Auf diese Weise erweitert sich das Nabenmaterial in einer Rate,
die zwischen der Ausdehnungsrate der umgebenden Materialien liegt,
wodurch die mechanischen und thermischen Belastungen reduziert werden,
die durch die hohen Betriebstemperaturen vorliegen.
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Zudem
weisen die bevorzugten Nabenmaterialien relativ geringe Wärmeleifähigkeiten
auf. Die fördert
weiterhin den Wärmewiderstand
der Nabe und minimiert die Hitzemenge, die die Lagerbaugruppe erreicht.
Die typische Wärmeleifähigkeit
für die
bevorzugten Materialien liegt zwischen etwa 10 bis 25 W/(m-K), je
nach dem verwendeten speziellen Material und der Temperatur des
Materials.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 2 wird nun eine derzeit bevorzugte
Ausführungsform
der Rotorbaugruppe 400 beschrieben. Im Allgemeinen besteht
die Baugruppe 400 aus einer zylindrische Induktionsflusshülse, die
allgemein mit 402 bezeichnet wird, einer Rotorabdeckung 404 und
einem Rotorschaft, der allgemein mit 406 bezeichnet wird.
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Wie
dargestellt, ist die Rotorabdeckung 404 mit der Rotornabe 300 verbunden,
um so die Rotorbaugruppe 400 mit der Lagerbaugruppe 200 betriebsbereit
anzuschließen.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Rotorabdeckung 404 direkt an der Lagernabe 300 am
zylindrischen Flansch 312 mit geeigneten Befestigungsmitteln
befestigt, die in der dargestellten Ausführungsform eine Vielzahl von
Befestigungsmitteln wie vier Schrauben 416 sind (zwei davon
sind in 2 dargestellt). Andere Befestigungsschemas
können
ebenso verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die verwendeten Befestigungsmittel aus demselben Material hergestellt
wie der Rotorschaft 406 und die Rotorabdeckung 404,
um so die Wärmeausdehnungskoeffizienten
dieser Komponenten aufeinander abzustimmen. Alternativ kann das
für die
Befestigungsmittel verwendete Material dasselbe sein wie das der Lagernabe 300.
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Die
Rotorabdeckung 404 ist wiederum mit der zylindrischen Hülse 402 und
dem Rotorschaft 406 verbunden. Dergestalt wird die gesamte
Rotorbaugruppe rotierbar durch die Lagerbaugruppe 200 gehalten.
Die Induktionsflusshülse 402 dient
als Roturteil eines Induktionsmotors, wodurch die Rotationsbewegung
auf die Rotorbaugruppe 400 in einer wohlbekannten Weise übertragen
wird. In einer bevorzugten Ausführungsform
besteht die Induktionsflusshülse 402 aus
einem Magnethülsenteil 420,
wie Stahl oder Eisen oder einer Legierung daraus, und ist so positioniert,
dass sie sich nahe der Lagernabe 300 befindet und so vorgesehen
ist, dass sie sich entlang dem "Motor-Abschnitt des Rotors
erstreckt. Die Induktionsflusshülse 402 besteht
weiterhin aus einer zweiten Hülse 422,
die an einem Teil des Außenumfangs
der Magnethülse 420 befestigt
ist. In der dargestellten Ausführungsform
besteht die zweite Hülse 422 aus
101 OFHC-Kupfer
und ist direkt an der Magnethülse 420 befestigt.
Andere Materialien können ebenso
verwendet werden. Die Verwendung eines Magnethülsenteils 420 (wie
Eisen) erhöht
das Drehmoment, das von der Rotorbaugruppe 400 erzeugt wird,
im Besonderen bei einem Betrieb mit 180 Hertz und wenn die Betriebsumgebung
sehr heiß ist.
Während
verschiedene Befestigungsverfahren verwendet werden können, ist
die zweite Hülse 422 an
der Magnethülse 420 durch
Diffusions-Kontaktherstellung oder Hartlöten verbunden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird die Diffusions-Kontaktherstellung oder
Hartlötung
durch Anbringen der Magnethülse 420 in
der zweiten Hülse 422 hergestellt.
Beide Hülsen
werden dann in eine Graphithalterung zum Hartlöten angeordnet. Da sich das
Graphit weniger ausdehnt als Eisen oder Kupfer werden die beiden
Materialien in einem Brennvorgang zusammengetrieben, wodurch je
nach in den zur Beschichtung des Kupfers und/oder des Eisens verwendeten
Materialien eine Diffusions-Kontaktherstellung oder Hartlötung erzeugt
wird. Es können auch
andere Verbindungstechniken zur Ausbildung einer Induktionsflusshülse verwendet
werden.
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2 veranschaulicht
weiterhin, wie die Induktionsflusshülse 402 mit der Rotorabdeckung 404 verbunden
ist. Im Besonderen ist ein Schulterbereich 424 um den Außenumfang
der Rotorabdeckung 404 definiert. Diese Schulter 424 ist
ausgebildet, um das Ende des Magnethülsenteils 420 der
Induktionsflusshülse 402 aufzunehmen.
Die Magnethülse
ist dann vorzugsweise an der Abdeckung 404 mit einer Hartlötverbindung
befestigt, was dergestalt erfolgt, dass die Verbindung vor (bezüglich des
rotierenden Anodentellers 102) der Verbindung von Lagerwelle 202 und
Lagernabe 300 (oben beschrieben) erfolgt.
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Ebenso
ist an der Rotorabdeckung 404 der Rotorschaft 406 befestigt.
Mit dem abgewandten Ende des Rotorschafts 406 ist der Anodenteller 102 verbunden.
Während
eine beliebige aus mehreren Verbindungstechniken zwischen dem Schaft 406 und dem
Anodenteller 102 verwendet werden kann, wird in der dargestellten
Ausführungsform
auf dem Schaft 406 einen Anschlussflansch 410 ausgebildet,
der eine Anodenverbindungsfläche 414 ausbildet.
Der Anodenteller 102 enthält ein Bohrloch 412,
das den Schaft 406 aufnehmen kann und durch das der Anodenteller 102 gegen
die durch den Flansch 410 gebildete Verbindungsfläche 414 stoßen kann.
Die Anode 102 wird dann am Rotorschaft 406 im
Bereich der Verbindungsfläche 414 mit
einer geeigneten Verbindungstechnik wie Hartlöten verbunden. Es können andere
Verbindungstechniken verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Hartlötscheibe
zwischen dem Anodenteller 102 und dem Rotorschaft 406 eingelegt
und dann mit Schwungradreibschweißen an den Rotorschaft 406 angeschweißt werden
und dann auf Größe zerspant
werden; der Anodenteller und der Schaft können beide gewindet und dann
mechanisch verbunden und hartgelötet
werden; oder der Anodenteller kann mechanisch mit dem Schaft verbunden werden,
indem der Anodenteller zwischen einer Mutter und einem Absatz im
Rotorschaft verbunden wird.
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In
einigen Anwendungen kann der Verbindungspunkt zwischen dem Anodenteller
und dem Rotorschaft 406 maximale Betriebstemperaturen von bis
zu 1100 °C
erreichen. Wenn somit der Schaft 406 aus einem Material
gebildet ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat, der sich von dem des Anodentellers unterscheidet, können die
durch die ungleichen Ausdehnungsraten herbeigeführten Belastungen zu einem
mechanischen Ausfall im Ziel und/oder dem Schaft oder zu mechanischen
Instabilitäten
führen,
die sich negativ auf die Qualität
des Röntgenbildes
auswirken. Folglich wird in einer bevorzugten Ausführungsform
das zum Herstellen des Rotorschafts 406 verwendete Material
so gewählt, dass
der Wärmeausdehnungskoeffizient
im Wesentlich dem des Anodentellers 102 entspricht. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Rotorschaft 406 aus demselben hitzebeständigen Metall
hergestellt, das für
den Anodenteller 102 verwendet wird. Wenn der Anodenteller
zum Beispiel aus einer Molybdänlegierung
wie TZM (Titan-Zirkon-Molybdän) hergestellt
wird, dann wird dieses Material zur Herstellung des Rotorschafts 406 (einschließlich der
Rotorabdeckung 404) verwendet. In diesem Beispiel beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient
für TZM
in etwa 5,0 – 6,0 × 10–6 k-1.
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Darüber hinaus,
obwohl ein erheblicher Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Rotorschaft 406 und dem bevorzugten Material der Lagerwelle 202 besteht
(etwa 12,0 × 10–6 k-1),
bietet die Lagerwelle (mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von etwa 8,0 – 10,0 × 10–6 k-1
in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ) einen annehmbaren Übergang
in den Wärmeausdehnungsraten,
um so die Probleme zu minimieren, die mit der Wärmeausdehnung der Materialien
verbunden sind. Weiterhin, da die dazwischen liegende Erweiterungskomponente
(d.h. die Lagernabe) eine Komponente in der Lagerbaugruppe ist und
mit der Lagerwelle verbunden ist, sind die normalen Betriebstemperaturen
in der Verbindungsstelle zwischen der Welle und der Nabe geringer
und daher ist ein thermisches Wärmeungleichgewicht
zwischen jenen Komponenten weniger problematisch. Folglich beseitigt
die Gestaltung eine Wärmeungleichgewicht
in den Bereichen hoher Hitze, d.h. zwischen der Anode und dem Rotorschaft 406 und
minimiert gleichzeitig die Auswirkung des Wärmeungleichgewichts, indem der
Wärmeausdehnungskoeffizient
zwischen der Anode und der relativ kühleren Lagerwelle 202 erhöht wird.
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Zusammengefasst
bietet die vorliegende Erfindung eine Anodeantriebsbaugruppe mit
vielzähligen
Vorteilen gegenüber
dem Stand der Technik. Im Besonderen durch Nutzung von Materialien
und Komponenten, die einen Übergang
im Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Anode und der Lagerwelle bereitstellen, wobei die Baugruppe
eine Reihe von sehr erstrebenswerten Betriebseigenschaften bietet.
Und zwar minimiert die Baugruppe das Vorhandensein ernsthafter Wärmeungleichgewichte
zwischen den benachbarten Komponenten, wodurch das Auftreten ungleicher
Wärmeausdehnungsraten
zwischen den Komponenten verringert wird. Dies minimiert das Vorhandensein
mechanischer Instabilitäten
in der Antriebsbaugruppe – selbst bei
sehr hohen Betriebstemperaturen. Dergestalt ist die Rotation der
Anode stabil und präzise,
was zu einer konsistenten Positionierung des Brennflecks auf dem
Anodenteller führt.
Dies wiederum bildet eine Röntgenröhre aus,
die Röntgenbilder
in hoher Qualität
liefert.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen bestimmten Formen im Umfang
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die beschriebenen
Ausführungsformen
sollen in jeder Hinsicht als nur veranschaulichend und nicht einschränkend verstanden werden.
Während
zum Beispiel bestimmte Materialien in Verbindung mit bevorzugten
Ausführungsformen
angegeben wurden, ist hervorzuheben, dass andere Materialien mit ähnlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
die ansonsten die mechanischen Stärkeeigenschaften erfüllen, die
von der Röhrengestaltung
vorgeschrieben werden, im Rahmen des in Anspruch 1 definierten Umfangs
verwendet werden können.
Wenngleich auch eine bevorzugte Betriebsumgebung eine Röntgenröhre eines
CT-Scanners ist, können
die Ausführungen
der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf andere Röntgenvorrichtungen
mit einem rotierenden Anodenteller anwendbar und nützlich dafür sein.
Der Umfang der Erfindung ist daher durch die angefügten Ansprüche anstatt
durch die obige Beschreibung definiert.