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Röntgeneinrichtung für die Untersuchung von Werkstücken Für die Zwecke
der Werkstoffuntersuchung mit Röntgenstrahlen wurden bisher in der Regel Röntgeneinrichtungen
der allgemein üblichen Bauart verwendet mit einer im Innern eines Glasballons liegenden
Anode, deren Brennfleck als Röntgenstrahlenquelle zu betrachten ist. Die Röhren
wurden dabei in einem solchen Abstand von der strahlenempfindlichen Schicht benutzt,
daß die Entfernung des Brennflecks, der sog. Fokusabstand, mindestens 3o bis 40
cm beträgt.
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Bei der Untersuchung von Hohlkörpern mit verhältnismäßig kleinem Halbmesser
des hrümmungskreises ist :es jedoch erwünscht, die Strahlenquelle in dem Mittelpunkt
des ILrümmungskreises anzuordnen, damit die Strahlen die Wandung des Hohlkörpers
möglichst an allen Stellen in senkrechter Richtung durchsetzen. Für diesen Fall
sind die bisher üblichen Röntgenröhren nicht geeignet. Es sind deshalb schon Röntgenröhren
speziell für die Werkstoffuntersuchung vorgeschlagen worden, die mit geerdeter Anode
einpolig zu betreiben sind und gestatten, bei entsprechend kleinem Brennfleck direkt
an das zu untersuchende Werkstück mit der Strahlenquelle heranzurücken. Aufgabe
der Erfindung ist es nun, :eine Einrichtung zu schaffen, die auch zur Prüfung der
Wandstärke von längeren, verhältnismäßig engen Hohlkörpern, z. B. von längeren zylindrischen
Rohren, geeignet ist.
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Dabei ist aber noch eine weitere Bedingung zu erfüllen. Bei der Werkstückuntersuchung
ist eine sehr große Zeichenschärfe der Bilder erforderlich, damit man auch kleine
Ungleichheiten in der Beschaffenheit des W°rkstoffes deutlich erkennen kann: Die
Zeichenschärfe ist nun bei gegebener Form des Werkstückes und gegebener Anordnung
der strahlenempfindlichen Schicht um so größer, je größer der Fokusabstand und je
kleiner die Abmessungen des Brennflecks sind. Je kleiner der Fokusabstand gewählt
wird, um so kleiner müßte also auch der Brennfleck sein, um die gewünschte Zeichenschärfe
zu erhalten. Andererseits ist bei großem Fokusabstand mit Rücksicht auf die Belichtungszeit
eine größere Belastbarkeit der Röhre erwünscht. Man wird deshalb den Brennfleck
so groß gestalten, als es mit Rücksicht auf die Zeichenschärfe tragbar ist.
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Bei wechselndem Fokusabstand wäre es demnach erforderlich, auch die
Brennfl:eckabmessungen entsprechend zu verändern. Für
die Zwecke
der Werhstückuntersuchung wäre daher eine Einrichtung erwünscht. bei der die Grüße
des Bretinllecks nach Belieben dem, jeweils verwendeten Foktisabstand angepaßt %%-erden
kann.
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:@liriliCh e Aufgaben ergeben sich auch, wenn an schwer zugänglichen
Stell; ii oder etwa' im Innern von HohlkZirp°rn Feinstrukturaufnahmen z. B. zur
Bestimmung des Spannungszustandes eiiiea Materials Hergestellt «-erden sollen. Auch
hier muß der Brennfleck der Röhre meist sehr nahe an die Oberfläche des zu untersuchenden
Prüfkörpers herangebracht werden. Die Brennfleckgröße wird je nach Art des Prüfverfahrens
und der zulässigen Strahlendivergenz gewählt.
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Gemäß der Erfindung kann man nun eine Einrichtung für die Untersuchung
von Werkstücken mittels Röntgenstrahlen schaffen, die diese Anforderungen erfüllt
und noch weitere Vorteile bietet, und zwar durch Verwendung einer Rötitgetir5lire,
die so ausgebildet ist, daß das aus der Röhre Herausgeführte Anodenrohr mit Striktionsspulen
ausgerüstet ist, die eine Regelung der striktiven Wirkung lind damit der Gröle des
Brennfleclks auf dem am Ende des Anodenrohres befindlichen Anodenspiegel ermöglichen.
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Auch bei den üblichen Röntgenröhren mit einer im Innern des Glasballons
befindlichen Kathode sind Einrichtungen vorgesehen, die meist in einer besonderen
Ausbildung der Kathode selbst bestehen .oder in ihrer unmittelbaren Nähe angeordnet
sind und bewirken, daß das Elektronenstralilenbündcl den Anodenspiegel in Form des
sog. Brenndecks trifft. Als Striktionsspulen sollen hier jedoch zusätzliche Einrichtungen
veri@-@ndct «-erden, die außerhalb der eigentlichen Röhre angeordnet sind und durch
Erzeugung eines besonderen magnetischen Feldes zum Zusammenhalten des Elektronenstrahlenbündels
dienen.
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Solche Striktionsspulen sind bei Kathodenstrahlen-Oszillograplien
und bei Elektronenmikroskopen Bekannt, bei denen man sog. elektrische oder magnetische
Lins-2n als Striktionsorgane benutzen 121n11, um ein Elcktroiienstrahlenbündel auf
einer längeren Str°cke so zu beeinflussen, daß die Strahlen an der Verit-endungsstelle
in der gewünschten Weise konzentriert werden. Es hat sich nun gezeigt, daß e3 auch
bei Röhren der beschriebenen Bauart mit geerdeter Außenanode möglich ist, die Größe
des Brennflecks den Anforderungen bci d^r Werkstückuntersuchung bzw. überall da,
wo möglichst scharfe Bilder erzeugt werden sollen, nach Belieben dadurch anzupassen.
daß das Anodenrohr mit einem oder mehreren Striktionsorganen ausgerüstet wird. Durch
die Verwendung von Striktionsorganen ist es möglich, den Elektronenkanal beliebig
lang zu machen. Dies hat bei der 'Untersuchung von Werkstücken den Vorteil, ',21a13
man auch an schwer zugängliche Stellen herankommen und insbesondere lange, ver-'
hältnismäßig enge Rohre an allen Stellen untersuchen kann, indem man das Anodenrohr
in das Innere des zu untersuchenden Rohres einführt. Dabei wird das Anodenrohr zweckmäßig
in der Achse des zu untersuchenden Rohres angeordnet, damit die von dem Brennfleck
ausgehenden Strahlen radial verlaufen und die Rohrwandung im wesentlichen senkrecht
zur Rohroberfläche durchsetzen. Dies ist deshalb so wichtig, weil bei einer Durchleuchtung
enger Rohre mit einer Röhre, deren Brennfleck außerhalb der Mitte liegt, die zu
durchleuchtende Strecke der Wandung seitlich der Senkrechten sehr schnell anwächst.
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Um die striktive Wirkung zu regeln, kann man z. B. die elektrischen
Potentiale der Elektroden einer elektrischen Linse oder die Stromstärke in einer
oder mehreren Striktionsspulen regeln oder bei Verwendung mehrerer Striktionsorgane
diese wahlweise abschaltbar oder umschaltbar anordnen. Auf diese Weise ist es möglich,
die Größe des Brennflecks so einzustellen, daß die Schärfe des Bildes auch bei sehr
kleinem Fokusabstand den Anforderungen entspricht.
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Wenn Einrichtungen vorgesehen sind, um die Röhrenspannung zu regeln,
z. B. durch Regelung der Primärstromstärke des Hochspannungstransformators, so tritt
der Übelstand auf, daß die Wirkung der Striktionsorgane dadurch beeinflußt wird.
Mit steigender Röhrenspannung nimmt nämlich die Geschwindigkeit der Elektronen zu,
so daß die Wirkung der Striktionsorgane geringer werden würde. Um dies auszugleichen,
kann man Einrichtungen zur Regelung der striktiven Wirkung der Striktionsoxgane
in Abhängigkeit von der Röhrenspannung vorsehen. Dies kann in verschiedener Weise
geschehen. So kann man mit dem Organ, das zum Regeln der Primär- oder Sekundärspannung
des Hochspannungserzeugers dient, Einrichtungen zum Regeln der Wirkung der Striktionsorgane,
z. B. Regelwiderstände zum Verändern der Stromstärke in den Striktionsspulen, in
geeigneter Weise mechanisch oder elektrisch kuppeln. Die Beeinflussung der striktiven
Wirkung kann aber auch unmittelbar auf elektrischem Wege erfolgen, indem die Striktionsorgane
von der Primär- oder Sekundärspannung des Hochspannungserzeugers gespeist werden.
So kann man z. B. die Striktionsspulen unmittelbar oder mittelbar an die Primärwicklung
des Hochspannungstransformators
anschließen. Elektrische Linsen
können gegebenenfalls unmittelbar oder mittelbar .an die Röhrenspannung angeschlossen
werden.
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Im allgemeinen wird bei derartigen Röntgeneinrichtungen die Röntgenröhre
mit pulsierendem Strom betrieben, z. B. mit pulsierendem Gleichstrom, wobei der
Augenblickswert der Spannung etwa nach einer Sinuskurve ansteigt -und abnimmt. Da
die Härte der erzeugten Röntgenstrahlen mit der Röhrenspannung zunimmt,. so enthalten
diese also ein Gemisch aus Strahlen verschiedener Härte. Für die Zwecke der Durchstrahlung
zur Prüfung von Werkstücken sind aber in der Regel nur solche Strahlen erwünscht,
deren Härte eine gewisse Mindestgrenze übersteigt. Unterschreitet also die angelegte
Spannung den entsprechenden Mindestwert, so wird lediglich eine unnütze Belastung
des Brennflecks erzielt. Um diese Belastung nicht in dem Brennfleck zu vereinigen,
kann man die Striktionsorgane an eine im gleichen Takt wie die Röhrenspannung pulsierende
Spannung anschließen, die während jeder Periode im wesentlichen nur so lange wirkt,
als der Augenblickswert der Röhrenspannung den gewünschten Betrag übersteigt. Zu
diesem Zweck könnte eine besondere Schalteinrichtung vorgesehen werdest, die synchron
- mit der Röhrenspannung arbeitet -und die Wirkung der Striktionsorgane entsprechend
steuert, z. B. die Stromstärke in den Striktionsspulen entsprechend regelt. In besonders
einfacher Weise kann die Wirkung der Striktionsorgane durch Verwendung von an sich
bekannten Mitteln zur Beeinflussung der Kurvenfolm der für die Striktionswirkung
maßgebenden Stromstärke oder Spannung in dem gewünschten Sinne geregelt werden.
Zu diesem Zweck können die Striktionsspulen z. B. unter Zwischenschaltung einer
Drossielspule mit hochgesättigtem Eisenkern an die Röhrenspannung angeschlossen
werden.
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Durch die Steuerung der Striktionsorgane wird erreicht, daß nur die
für die Bilderzeugung wirksamen harten Strahlen in einem scharfen Brennfleck erzeugt
werden, während die weicheren Strahlen von einem mehr oder weniger großen Teil der
Fläche des Anodenspiegels ausgehen. Dadurch wird die Ableitung der bei ihrer Entstehung
erzeugten Wärme erleichtert. Man kann aber diese nutzlose Wärmeerzeugung auf dem
Anodenspiegel auch vollkommen vermeiden, wenn man an geeigneten Stellen in dem Elektronenstrahlenbündel
Lochblenden anbringt, durch die der Teil der Strahlen, der außerhalb des Brennflecks
auf den Anodenspiegel auftrifft, abgeschirmt wird. Solche Blenden können z. B. in
an sich bekannter Weise zwischen je zwei auf dem Anodenrohr angebrachten Striktionsspulen
im Innern des Anodenrohres angeordnet werden. Zur Ableitung der ,auf den Blendenflächen
entstehenden Wärme können gegebenenfalls geeignete Kühleinrichtungen vorgesehen
werden.
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Da die Belichtungszeit bei gleicher Beschaffenheit und Anordnung des
zu prüfenden Werkstückes und gleicher Strahlenhärte proportional mit dem Quadrat
des Fokusabstandes ansteigt, so kann man mit um so geringerer Belastung der Röhre
arbeiten, je geringer man den Fokusabstand wählt. Man kann also durch die Verwendung
einer Röntgeneinrichtung gemäß der Erfindung infolge der Verringerung des Fokusabstandes
gleich gute Bilder mit einem sehr erheblich geringeren Energieaufwand erhalten.
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Andererseits ist eine Verringerung der Röhrenbelastung beim Arbeiten
mit verringertem Fokusabst.and im allgemeinen auch mit Rücksicht auf die Belastung
des Brennflecks geboten. Wenn man durch Regeln der Wirkung der Striktionsorgane
den Brennfleck verkleinert, so würde bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen die
Belastung und dadurch die Temperatur des Brennflecks übermäßig ansteigen, was zur
Zerstörung des Anodenspiegels führen könnte. Um dies zu verhindern, ist !es zweckmäßig,
wenn Einrichtungen vorgesehen sind zum selbsttätigen Regeln der Röhrenstromstärke
in Abhängigkeit von der Wirkung der Striktionsorgane. Im allgemeinen ist es üblich,
die Röhrenstromstärke durch Regeln der Heizstromstärke der Glühkathode zu verändern.
Es ist daher vorteilhaft, wenn mit dem Organ zum Regeln der Wirkung der Striktionsorgane
Einrichtungen zum Regeln der Heilstromstärke gekuppelt sind, um die Belastung des
Brennflecks in den gewünschten Grenzen zu halten.
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Um die durch eine dauernde zu starke ärtliche Erhitzung entstehenden
Beschädigungen des Anodenspiegels zu vermeiden, kann man die Lage des Brennflecks
dadurch verändern, daß man die Striktions,organe in ihrer Lage gegenüber dem Anodenrohr
verschiebbar oder kippbar anordnet. Insbesondere kann der Brennfleck auf dem Anod-enspi@egel
dadurch verlagert "verdien, daß die Achse einer in der Nähe des Anodenspiegels angeordneten
Striktionsspule gegenüber der Rohrachse gekippt wird. Statt dessen kann aber auch
das den Anodenspiegel enthaltende Ende des Anodenrohres gegenüber dem im Raum feststehenden
Felde der Striktionsorgane bewegt werden. Zu diesem Zweck wird das Anodenrohr vorzugsweise
biegsam ausgeführt. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß es möglich ist,
eine Einrichtung vorzusehen,
durch die der Anodenspiegel bei im
Raume feststehendem Brennfleck, gegebenenfalls während des Betriebes der Röhre,
so bewegt werden kann, daß der Brenndeck auf der Fläche des Anodenspiegels dauernd
wandert und die Belastung sich dementsprechend auf eine größere Fläche verteilt.
Zu diesem Zweck kann man z. B. eine Einrichtung benutzen, um das Anodenrohr in hin
und her gehende oder drehende Schwingungen zu versetzen.
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Bei den zum Zusammenhalten des Elektronenstrahlenbündels außerhalb
des Anodenrohres angebrachten Striktionsspulen kamt man, ähnlich wie es z. B. bei
Kathodenstra.lilen-Oszillographen üblich ist, einzelne getrennte Spulen anordnen,
die gewissermaßen als magnetische Linsen wirken und zwischen sich das Elektronenstrahlenbündel
konzentrieren. Wenn die Strablenquelle aber in das Innere enger Rohre eingeführt
werden soll, so ist es vorteilhafter, wenn man eine größere Anzahl gewissermaßen
mit längerer Brennweite arbeitender magnetischer Linsen hintereinander anordnet.
indem man das Anodenrohr mit einer gleichmäßig verteilten Betvick1ung versieht.
Dies hat den Vorteil, daß der Durchmesser des bewickelten Rohres verhältnismäßig
gering gehalten werden kann.
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Auf diese Weise ist es unter Umständen auch möglich, das Elektronenstrahlenbündel
längs einer mehr oder weniger gekrümmten Bahn zu führen. Man kann daher im Bedarfsfalle
z. B. zur Untersuchung von gebogenen Rohren eine Röntgenröhre mit einem entsprechend
gebogenen Anodenrohr verwenden. Gegebenenfalls kann das Rohr Lind die Bewickhing
so eingerichtet werden, daß die ganze Anordnung biegsam ist, so daß sie der jeweils
vorliegenden Krümmung des zu untersuchenden Rohres angepaßt werden kann oder sich
dieser beim Einführen in das Rohr selbsttätig anpaßt. Zu diesem Zweck kann das eine
gleichmäßige Bewicklung tragende Anodenrohr z. B. als Wellrohr ausgebildet sein.
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Bei Untersuchung enger Rohre inuß, wie Bereits erwähnt, der Brennfleck
sehr nahe an der zu tintersucliendcn Stelle, nämlich in der Rohrachse, angeordnet
werden. Infolge des kürzeren Fokalabstandes kann dabei jeweils bei einer Aufnahme
nur ein schmaler Streifen längs der durch den Brennfleck gelegten radialen Schnittebene
durch die Rohrwand erfaßt werden, da die zu durchstrahlende Wandstärke für all.-
aus der Radialebene lieratisf@illenden Durchstrablungsrichtungen rasch zunimmt.
Um nun trotzdem ein auf einer längeren Strecke der Rohrlänge gleichmäßiges und scharfes
Bild zu erhalten, kann man eine Einrichtung benutzen, durch die die Röhre samt der
Blende in der Längsausdehnung des Rohres verschoben werden kann und nötigenfalls
die Strahlen durch eine Schlitzblende derart abblenden, daß nur solche Strahlen
zur Wirkung kommen, die im wesentlichen senkrecht die Rohrwandung durchsetzen.
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Wenn die beschriebene, mit einem verhältnismäßig langen Anodenrohr
versehene Röntgenröhre zur Untersuchung von feststehenden Werkstücken oder für ähnliche
Zwecke dienen soll, so ist es erwünscht, daß die Anode möglichst leicht beweglich
ist, um sie gegebenenfalls auch in Hohlräume der zu untersuchenden Werkstücke einführen
zu können. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die Röhre wenigstens innerhalb
eines gewissen Bereiches möglichst allseitig beweglich angeordnet ist, z. B. durch
eine kardanische Aufhängung oder ein Kugelgelenk. Besonders zweckmäßig ist es, wenn
die Röhre in dem auch den Hochspannungserzeuger enthaltenden Gehäuse in an sich
bekannter Weise angeordnet ist. Man erhält so eine besonders gedrängte Anordnung,
die außerdem den Vorteil aufweist, daß besondere der Berührung zugängliche Hochspannungszuleitungen
vermieden werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i eine Röntgenröhre gemäß der Erfindung, im wesentlichen im
Schnitt, während Fig.2 eine schematische Darstellung der ganzen Röntgeneinrichtung
ist.
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In Fig. i trägt der Glaskolben i der Röhre links den Kathodenansatz
2 und rechts den Anodenhals 3. In dem Kathodenansatz sind bei 4. die an die Fassung
5 angeschlossenen Zuleitungen 6 und 7 gasdicht eingeschmolzen. Die Zuleitung 6 ist
über den Stab 8 an die Glühspirale 9 angeschlossen, die wieder mit dem Kathodenkörper
io und über ein Metallrohr i i mit der Zuleitung 7 verbunden ist. Die Oherfläche
des Kathodenkörpers io ist in bekannter Weise kugelig ausgehöhlt. Gegenüber der
Kathode 9 ist ein Metallrohr 12 angeordnet, das an dem der Kathode gegenüberstehenden
Ende kegelig verengt ist. Das Metallrohr 12 findet seine Fortsetzung in dem bei
13 in geeigneter Weise gasdicht in den Anodenhals 3 eingeschmolzenen Anodenrohr
14. Am Ende des aus der Röhre weit hinausragenden Teiles des Rohres 14 befindct
sich im Innern des Rohres ein Metallklotz 15, in dem ein als eigentliche Anode dienendes
Blättchen 16 aus hochschmelzbarem Metall eingesetzt ist. Gegenüber der in bekannter
Weise in einem Winkel von etwa 45° gegen die Röhrenachse geneigten Anodenfläche
ist die Rohrwandung dünn gedreht, um so ein für Röntgenstrahlen geeigneter
Härte
durchlässiges Fenster zu bilden. Ge-
gebenenfalls kann aber natürlich auch
.ein besonderes, den jeweiligen Verhältnissen entsprechendes Fenster eingesetzt
werden. Wenn nötig, kann die Umgebung der Anode zur besseren Wärmeabfuhr in bekannter
Weise mit einer Flüssigkeitskühlung versehen werden.
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Das Anodenrohr 1q. ist auf seinem aus dem Anodenhals 3 herausragenden
Teil ganz oder nur zum Teil mit Spulen 17 umgeben, die über einen Regehviderstand
18 an eins Strom quelle ig angeschlossen sind. Wenn nun @einerseits die Kathode
an die Hochspannungsklemme und -die Anode an die geerdete Klemme eines Hochspannungserzeugers
und andererseits die Glühspirale der Kathode in der üblichen Weise an einen Heiztransformator
angeschlossen wird, so entsteht im Innern des Anodenrohres ein Elektronenstrahlenbündel,
das durch die Wirkung des Magnetfeldes, das von der Striktionsspule 17 erzeugt wird,
mehr oder weniger zusammengehalten wird, so daß die Strahlen auf die Oberfläche
der Anode 16 meinem mehr oder -,weniger großen Brennfleck auftreffen. Durch Regeln
des Widerstandes 18 kann die Stromstärke in den Striktionsspulen und damit ihre
Wirkung verändert werden. Durch Verkleinern des Widerstandes 18 wird also bei gleichbleibender
Spannung der Stromquelle i9 der Brennfleck in der gewünschten Weise verkleinert.
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In Fig. 2 ist schematisch ein Metallgehäuse 20 im Schnitt angedeutet,
das im wesentlichen sämtliche Teile der Einrichtung enthält, die nur im Schaltbild
angegeben sind. Der Hochspannungserzeuger besteht ,aus einem Transformator 2 i mit
der Primärwicklung 22 und der Sekundärwicklung 23. An diese schließt sich z. B.
in der bekannten Villardschaltung ein Kondensator 2q. und eine Ventilröhre 25 an,
deren mit dem Kondensator verbundene Glühkathode mit dem geerdeten Gehäuse 20 verbunden
ist. Die mit der Hochspannungsklemme der Sekundärwicklung 23 verbundene Anode der
Ventilröhre steht mit der SekundärwiCklung 26 eines Heiztransformators in Verbindung,
dessen Primärwicklung nicht besonders dargestellt ist. An die Heizwicklung 26 ist
in der üblichen Weise die Kathode der Röntgenröhre angeschlossen.
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Um die Röntgenröhre innerhalb eines gewissen Bereiches nach allen
Seiten schwenken zu können, ist das Anodenrohr 1q. in der Nähe des Anodenhalses
mit einer Kugel 27
versehen, die in der Seitenwandung des Gehäuses 2o kugelgelenkartig
beweglich ist. Durch Schwenken des die Striktionsspule 17
tragenden, aus dem
Gehäuse herausragenden Teiles des Anodenrohres ist dann die Anode innerhalb gewisser
Grenzen beliebig beweglich. Dabei kann das Rohr gegebenenfalls noch -um seine Achse
gedreht werden, um die Röntgenstrahlen nach verschiedenen Richtungen aussenden zu
können.