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1. Gebiet
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet von Ladungsteilchenstrahlengeneratoren und Röntgenröhren und
insbesondere Abtaströntgenstrahlenquellen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Auf Grund der Weiterentwicklung therapeutischer
Technologien wird Echtzeitröntgenbilderzeugung
bei medizinischen Verfahren immer mehr benötigt. Zum Beispiel sind viele
elektrophysiologische Kardialverfahren, Periphergefäßverfahren, PTCA-Verfahren
(perkutane transluminale Katheterangioplastik), urologische Verfahren
und orthopädische
Verfahren auf Echtzeitröntgenbilderzeugung angewiesen.
Außerdem
erfordern moderne medizinische Verfahren häufig die Verwendung von Instrumenten,
wie beispielsweise Kathetern, welche in den menschlichen Körper eingeführt werden.
Diese medizinischen Verfahren erfordern häufig die Fähigkeit, die genaue Position
von Instrumenten, welche innerhalb des menschlichen Körpers eingeführt sind,
zu erkennen, und zwar häufig
in Verbindung mit einem genauen Bild des umgebenden Körpers durch
die Verwendung von Röntgenbilderzeugung.
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Es sind mehrere Echtzeitröntgenbilderzeugungssysteme
bekannt. Diese umfassen fluoroskopbasierte Systeme, bei welchen
Röntgenstrahlen
in ein zu röntgendes
Objekt projiziert werden und Schatten, welche durch verhältnismäßig Röntgenstrahlen
undurchlässige
Materie innerhalb des Objekts verursacht werden, auf dem Fluoroskop,
das sich auf der gegenüberliegenden
Seite des Objekts der Röntgenstrahlenquelle
befindet, angezeigt werden.
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Abtaströntgenröhren sind in Verbindung mit der
Fluoroskopietechnik wenigstens seit den frühen 50iger Jahren bekannt.
Moon, Amplifying and Intensifying the Fluoroscopic Image by Means
of a Scanning X-ray Tube, Science, 6. Oktober 1950, ss. 389–395.
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Röntgenbilderzeugungssysteme
mit umgekehrter Abtaststrahlengeometrie sind ebenfalls bekannt.
Bei derartigen Systemen wird eine Röntgenröhre verwendet, um Röntgenstrahlung
zu erzeugen. Innerhalb der Röntgenröhre wird
ein Elektronenstrahl erzeugt und auf einen kleinen Fleck auf der
verhältnismäßig großen Anode
(Übertragungsziel)
der Röhre
fokussiert, wodurch eine Röntgenstrahlungsemission
von diesem Fleck induziert wird. Der Elektronenstrahl wird in einem
Rasterabtastungsmuster über der
Anode (elektromagnetisch oder elektrostatisch) abgelenkt. Ein kleiner
Röntgenstrahlendetektor
ist in einem Abstand von der Anode der Röntgenröhre angeordnet. Der Detektor
wandelt Röntgenstrahlen, welche
auf ihn treffen, normalerweise in ein elektrisches Signal proportional
zum erfassten Röntgenstrahlenfluss
um. Wenn ein Objekt zwischen die Röntgenröhre und dem Detektor angeordnet
ist, werden die Röntgenstrahlen
durch das Objekt proportional zur Röntgenstrahlendichte des Objekts
abgeschwächt.
Während
die Röntgenröhre im Abtastmodus
ist, ist das Signal vom Detektor indirekt proportional zur Röntgenstrahlendichte
des Objekts.
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Beispiele für bekannte Röntgenstrahlsysteme
mit umgekehrter Abtaststrahlengeometrie umfassen jene, welche in
US-Patent Nr. 3,949,229 an Albert; US-Patent Nr. 4,032,787 an Albert;
US-Patent Nr. 4,057,745 an Albert; US-Patent Nr. 4,144,457 an Albert;
US-Patent Nr. 4,149,076 an Albert; US-Patent Nr. 4,196,351 an Albert;
US-Patent Nr. 4,259,582 an Albert; US-Patent Nr. 4,259,583 an Albert;
US-Patent Nr. 4,228,697 an Albert; US-Patent Nr. 4,321,473 an Albert;
US-Patent Nr. 4,323,779 an Albert; US-Patent Nr. 4,465,540 an Albert;
US-Patent Nr. 4,519,092 an Albert und US-Patent Nr. 4,730,350 an
Albert beschrieben sind.
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In einer typischen, bekannten Ausführungsform
eines Systems mit umgekehrter Abtaststrahlengeometrie wird ein Ausgangssignal
des Detektors auf den Z-Achsen (Leuchtdichte)-Eingang eines Videomonitors
angelegt. Dieses Signal moduliert die Helligkeit des Bildschirms.
Die X- und Y-Eingänge
zum Videomonitor werden normalerweise vom Signal, welches die Ablenkung
des Elektronenstrahls der Röntgenröhre bewirkt,
abgeleitet. Daher ist die Leuchtdichte eines Punktes auf dem Bildschirm
indirekt proportional zur Absorption der Röntgenstrahlen, welche von der
Quelle durch das Objekt zum Detektor durchtreten.
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Demgemäß besteht ein Bedarf an einer Quelle
von Röntgenstrahlen,
welche sowohl sicher als auch wirtschaftlich, sowie imstande ist,
rasch und genau über
der Fläche
einer Zielanode positioniert werden zu können.
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Das US-Patent Nr. 4,206,356 offenbart
eine Röntgenröhre, bei
welcher der Elektronenstrahl über einem
Ziel abgelenkt werden kann, so dass der Elektronenstrahl über dem
Ziel abgestuft wird, wobei der Elektronenstrahl an einer bestimmten
Stelle des Ziels eine sinusförmige
Pendelbewegung bildet. Der Elektronenstrahl wird dann rasch an eine
andere Stelle des Ziels geschwenkt, um eine andere sinusförmige Pendelbewegung
zu bilden.
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Die Röntgenstrahlenquelle der vorliegenden Erfindung
wird in Anspruch 1 offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Diagramm, welches die Grundbestandteile eines bevorzugten Abtaststrahlen-Röntgenbilderzeugungssystems
darstellt.
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2 ist
eine Seitenansicht im Querschnitt einer bevorzugten Abtaststrahlenröntgenröhre.
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3 ist
eine vergrößerte Teildarstellung
im Querschnitt eines bevorzugten Ziels und Kollimationsgitters.
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4 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
Hochspannungsanschlusseinheit.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Leiterplatteneinheit.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Trenntransformators.
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7 ist
ein Diagramm einer repräsentativen
Innenstruktur einer Sekundärseiteneinheit
des bevorzugten Trenntransformators.
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8 ist
eine Querschnittansicht einer Primärseiteneinheit des bevorzugten
Trenntransformators.
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9 ist
ein Diagramm einer repräsentativen
Innenstruktur einer Primärseiteneinheit
eines alternativerweise bevorzugten Trenntransformators.
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10 ist
eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien zwischen der
Primärseite
und der Sekundärseite
des bevorzugten Trenntransformators.
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11 ist
ein Diagramm einer bevorzugten Schnellablenkjochstruktur.
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12 ist
ein vergrößertes perspektivisches Diagramm
der bevorzugten Ablenkjoch- und Fokussierspulenausrichtungsstrukturen.
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13 ist
eine auseinander gezogene Ansicht der Ablenkjoch- und Fokussierspulenausrichtungsstrukturen
von 14.
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14 ist
ein Diagramm einer bevorzugten Röntgenröhre, welche
einen Elektronenstrahl in einem Rasterabtastungsmuster gleiten lässt.
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14A–F sind
grafische Darstellungen des Stroms, welcher an die Ablenkspulen
angelegt wird, um einen Elektronenstrahl in einem Rasterabtastungsmuster
zu bewegen.
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15 ist
ein Diagramm einer bevorzugten Abtaströntgenröhre, welche einen Elektronenstrahl
in einem Schlangenlinienmuster gleiten lässt.
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15A–G sind
grafische Darstellungen des Stroms, welcher an die Ablenkspulen
angelegt wird, um einen Elektronenstrahl im Schlangenlinienmuster zu
bewegen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Hinblick auf 1 ist eine Ausführungsform einer gegenwärtig bevorzugten
Röntgenstrahlenquelle,
welche in einem Röntgenbilderzeugungssystem
mit umgekehrter Abtaststrahlengeometrie eingesetzt wird, in einem
Diagramm dargestellt. Die Röntgenstrahlenquelle
10 umfasst
vorzugsweise eine Röntgenröhre und
eine Hochspannungselektronenstrahlenquelle. Die Hochspannungselektronenstrahlenquelle
ist vorzugsweise mit einer regulierbaren Hochspannungsenergieversorgung
verbunden, welche imstande ist, ungefähr –70kV bis –120 kV zu erzeugen. Bei diesem
Spannungspegel erzeugt die Abtaströntgenstrahlenquelle 10 ein
Röntgenstrahlenspektrum,
das bis 120 keV geht. Die Abtaströntgenstrahlenquelle 10 umfasst
Ablenkspulen 20 unter der Kontrolle eines Abtastgenerators 30.
Ein Elektronenstrahl 40, welcher innerhalb des Hochspannungsanschlusses 803 erzeugt
wird, wird in einem vorgegeben Muster über ein geerdetes Anodenziel 50 gleiten gelassen.
Das vorgegebene Muster kann zum Beispiel ein Rasterabtastmuster,
ein Schlangenlinien(oder S-förmiges)
Muster, ein Spiralmuster, ein Zufallsmuster, ein Gaußsches Verteilungsmuster,
welches an einem vorgegebenen Punkt der Zielanode zentriert ist,
oder ein derartiges anderes Muster, das für die vorliegende Aufgabe zweckdienlich
ist, sein. Das Schlangenlinien- (oder S-förmige) Muster, welches den
in einem Rasterabtastmuster benötigten horizontalen „Rücklauf" ausschaltet, wird
gegenwärtig
bevorzugt.
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Wenn der Elektronenstrahl 40 bei
Brennfleck 60 auf das Anodenziel 50 trifft, werden
Röntgenstrahlen 70 in
alle Richtungen emittiert. Zur Vereinfachung ist nur ein Teil der
Röntgenstrahlen
dargestellt. Die Röntgenstrahlen
treten vorzugsweise durch einen Kollimator hindurch zu dem zu untersuchenden
Objekt 80. Um die Systemleistung der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform
zu optimieren, sollte ein Kegel von Röntgenphotonen erzeugt werden,
welche derart auseinander gehen, dass sie nur die Mehrfachdetektoranordnung 110 erfassen.
Dies wird vorzugsweise durch Anordnen eines Kollimationselements
zwischen dem Anodenziel 50 der Röntgenstrahlenquelle 10 und
der Mehrfachdetektoranordnung 110 und insbesondere zwischen
dem Objekt 80 und der Röntgenstrahlenquelle 10 bewerkstelligt. Eine
ausführlichere
Beschreibung der Systemparameter kann in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung der
Seriennummer 08/386861 gefunden werden.
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Die gegenwärtig bevorzugte Konfiguration für dieses
Kollimationselement ist ein Gitter von Röntgenstrahlen durchlässigen Zylindern
oder Öffnungen 140.
Das Kollimationsgitter 90 ist so ausgelegt, dass es nur
den Durchtritt jener Röntgenstrahlen erlaubt,
deren Achsen in einer Bahn sind, welche die Mehrfachdetektoranordnung 110 direkt
schneidet. Das Kollimationsgitter 90 bewegt sich in Bezug
auf die Mehrfachdetektoranordnung 110 vorzugsweise nicht,
während
das System in Betrieb ist. Wenn daher ein Elektronenstrahl 40 über das
Anodenziel 50 gleiten gelassen wird, gibt es zu jeglichem
Zeitpunkt nur einen einzigen Nadelröntgenstrahl 100, welcher durch
das Objekt 80 hindurch zur Mehrfachdetektoranordnung 110 durchtritt.
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Die Ausgabe der Mehrfachdetektoranordnung 110 wird
verarbeitet und durch die Kontrollelektronik oder den Kontrollmonitor 34 als
ein Intensitätswert
auf einem Anzeigemonitor angezeigt, wie in der ebenfalls anhängigen und
einbezogenen US-Patentanmeldung der Seriennummer 08/386861 beschrieben.
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2 ist
ein Querschnittsdiagramm der gegenwärtig bevorzugten Abtaströntgenstrahlenquelle 10,
welche eine Elektronenstrahlenquelle 112 und eine Vakuumkolbeneinheit 176 umfasst.
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Die Elektronenstrahlenquelle 112 besteht aus
zwei geflanschten Aluminiumzylindern 114 und 116,
welche an den zentralen Aluminiumzylinder 118 geschraubt
sind. Die hintere Endplatte 120, welche aus Aluminium mit
zwei geschlossenen Öffnungen 134 und 136 hergestellt
ist, ist an die Rückseite
des geflanschten Aluminiumzylinders 116 geschraubt. Die
vordere Endplatte 138, welche aus Aluminium mit einer geschlossenen
zentralen Keramiklochscheibe 128 hergestellt ist, ist an
die Vorderseite der geflanschten Aluminiumzylinder und den zentralen
Zylinder geschraubt. Dieses Konstruktionsverfahren erlaubt es der
Elektronenstrahlenquelle 112, innerhalb ihrer Grenzen ein
Isoliermedium aufzunehmen, wobei die Keramikscheibe 128 eine
Dichtung zwischen der Elektronenstrahlenquelle 112 und
der Vakuumkolbeneinheit 176 bildet. Es versteht sich von
selbst, dass jedes auf geeignete Weise konstruierte Gehäuse für die vorliegenden
Erfindungen in Betracht kommt.
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Das Hochspannungskabel 122,
welches sich von einer externen Hochspannungsenergieversorgung (nicht
dargestellt) erstreckt, liefert ein Potenzial, welches vorzugsweise
zwischen –70
kV und –120
kV variierbar ist, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Die Energie
dieses Elektronenstrahls ist zwischen 70 keV und 120 keV, was dem
Potenzial entspricht, welches durch das Hochspannungskabel 122 angelegt
wird. Das bevorzugte Verfahren zur Verbindung des Hochspannungskabels 122 mit
der Hochspannungsanschlusseinheit 803 ist durch die Verwendung
eines Epoxidpressstoff-Kabelsteckverbinders 142, welcher
einen angegossenen Metallbefestigungsflansch aufweist. Der Steckverbinder 142 verläuft durch
die Öffnung 134 und
wird mit einer O-Ring-Dichtung an die Endplatte 120 geschmolzen. Das
Hochspannungskabel 122 wird in eine Zugentlastungshülse 156 eingepasst,
welche durch Schrauben durch den angegossenen Flansch 158 am angegossenen
Metallflansch des Kabelsteckverbinders 142 befestigt ist.
Ein Endstück 162 aus
Gummi, vorzugsweise Ethylenpropylengummi, wird so geformt, dass
es dem kegelförmigen
Mundloch im Kabelsteckverbinder 142 entspricht, und wird
direkt an das Ende des Hochspannungskabels 122 gepresst.
Beim Zusammenbau wird das Gummiendstück 162 mit Siliconschmierfett
belegt und festsitzend in das Mundloch im Kabelsteckverbinder 142 gedrückt, um
elektrischen Durchschlag entlang der Grenzfläche zwischen dem Gummiendstück 162 und
dem Kabelsteckverbinder 142 auf ein Minimum herabzusetzen. Das
Hochspannungskabel 122 enthält eine elektrostatische Abschirmung
(nicht dargestellt), welche innerhalb der Hülse 156 an Erde gelegt
ist. Durch einen Leitstab wird zwischen dem Hochspannungskabel 122 und
der Kontaktplatte 146 elektrischer Kontakt hergestellt,
um dadurch eine elektrische Verbindung zur Hochspannungsanschlusseinheit 803 durch
die Leitfeder 152 zu bilden. Die Leitfeder 152 wird
vorzugsweise in einer Zahnung in der Hochspannungsanschlussendplatte 154 der
Hochspannungsanschlusseinheit 803 aufgenommen.
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Ein Isoliermedium umgibt vorzugsweise
die Hochspannungsanschlusseinheit 803, um kleine Abstände zwischen
der Hochspannungsanschlusseinheit 803 und den Außenwänden der
Elektronenstrahlenquelle 112 zu erlauben. Vorzugsweise
sollte das Isoliermedium ein hohes elektrisches Potenzial von wenigstens –120 kV über diesen
Abstand aufprägen lassen
und ohne elektrischen Durchschlag aufrechterhalten können. Das
gegenwärtig
bevorzugte Isoliermedium ist Schwefelhexafluoridgas (SF6),
welches vorzugsweise bei einem Druck von ungefähr 60 psig und bei einer Temperatur
von weniger als 60°C gehalten
wird. Andere Isoliermedien, wie beispielsweise Transformatoröl, können anstelle
von SF6 ebenfalls verwendet werden.
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Eine Durchführungseinheit 164,
durch welche acht Faseroptikkabel in die Elektronenstrahlenquelle 112 eintreten,
ist vorzugsweise innerhalb der Öffnung 136 der
hinteren Endplatte 120 eingepasst. Die acht Faseroptikkabel
sind in 2 nur zu Veranschaulichungszwecken
als ein einziges Kabel 168 dargestellt. Die Faseroptikkabel 168 werden
vorzugsweise in die Durchführungseinheit 164 einge schmolzen,
indem sie in Epoxidharz eingebettet werden, um Ausströmen des
SF6-Gases zu verhindern.
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Die Hochspannungsanschlusseinheit 803 wird
vorzugsweise mittels der Keramikscheibe 128, welche innerhalb
der vorderen Platte 138 eingesetzt ist, isoliert, um die
angelegte Hochspannung auszuhalten. Die Hochspannungsanschlusseinheit 803 wird
vorzugsweise auch nur mittels der Keramikscheibe 128 mechanisch
getragen, um einen Ausleger zu bilden.
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Ein Trenntransformator 744 versorgt
die Komponenten innerhalb der Hochspannungsanschlusseinheit 803 mit
Energie. Die Sekundärseite 1271 des
Trenntransformators 744 befindet sich innerhalb des Hochspannungsanschlusses 803.
Die Sekundärseite 1270 ist
koaxial um die Sekundärseite 1271
herum angeordnet, aber physisch durch einen Isolierspalt, der mit
dem Isoliermedium SF6 gefüllt ist, getrennt.
Der Trenntransformator 744 wird in den ausführlichen
Beschreibungen von 6 bis 10 genauer erörtert.
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Die Vakuumkolbeneinheit 176,
welche vorzugsweise auf Erdpotenzial ist, umfasst im Allgemeinen
die gesamte Struktur, welche in 2 rechts
von der vorderen Endplatte 138 abgebildet ist. Der Innenraum
der Vakuumkolbeneinheit 176 bildet die Bahn für den Elektronenstrahl 40 von
der Hochspannungsanschlusseinheit 803 zum Anodenziel 50.
Ein konisch zulaufender Zylinderring 262, welcher sich
von der vorderen Endplatte 138 der Elektronenstrahlenquelle 112 erstreckt,
ist an die Scheibe 264 geschweißt. Eine Beschleunigungsanode 184 mit
einem axialen Durchgangsloch ist vorzugsweise in der Mitte der Scheibe 264 angeschraubt.
Im Folgenden werden das Anodenziel 50 und die Beschleunigungsanode 184 hierin
zur Vereinfachung und Klarheit als das Ziel 50 beziehungsweise
die Anode 184 bezeichnet.
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Der Innenraum der Vakuumkolbeneinheit 176 wird
bei einem reduzierten Druck gehalten, vorzugsweise unter 133.322 × 10–7 Pa
(10–7 mm
Hg) . Die Vakuumkolbeneinheit 176 wird mittels einer Unterdruckquelle,
welche an einem Vakuumständer
angebracht ist, der an der Röhren-
und Flanscheinheit 183 befestigt ist, anfänglich evakuiert.
Während
der anfänglichen
Evakuierung wird die Vakuumkolbeneinheit 176 vorzugsweise
bei einer erhöhten
Temperatur (> 200°C) ausgeheizt,
um alle Teile im Innenraum auszugasen. Während dieses Hochtemperaturausheizens
werden alle Komponenten der Elektronenstrahlenquelle 112 mit
Ausnahme der vorderen Endplatte 138 vorzugsweise aus der
Röntgenstrahlenquelle 10 entfernt,
so dass sie durch die hohe Temperatur nicht beschädigt werden.
Nach dem Ausheizen wird die Röntgenstrahlenquelle 10 wieder
zusammengebaut und konditioniert oder hochspannungsbehandelt, indem
die Röntgenstrahlenquelle 10 bei
mehr als normaler Spannung und normalem Strom betrieben wird. Die
Vakuumkolbeneinheit 176 wird durch Abdichten der Röhre der
Einheit 183 unter Verwendung eines herkömmlichen Abschnürwerkzeugs
vom Vakuumständer
abgeschmolzen. Danach wird der reduzierte Druck in der Vakuumkolbeneinheit 176 durch
die Verwendung der Getterionenpumpe 182 vorzugsweise aufrechterhalten.
Alternativerweise kann die Vakuumkolbeneinheit 176 als
eine „abgeschmolzene" Röhre ausgeführt sein,
was die Notwendigkeit einer Getterionenpumpe folglich aufhebt.
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Die Elektronenkanone 198 steht
vom Hochspannungsanschluss 803 durch die Keramikscheibe 128 in
die Vakuumkolbeneinheit 176 vor. Die Elektrode 126 erstreckt
sich vorzugsweise von der Keramikscheibe 128 und umgibt
das emittierende Ende der Elektronenkanone 198. Die Elektrode 126 und
die Anode 184 sind so geformt, dass sie die elektrostatische
Feldkonfiguration im Beschleunigungsraum zwischen der Elektrode 126 und
der Anode 184 steuern, wodurch sichergestellt wird, dass
der Elektronenstrahl 40 durch das axiale Loch in der Anode 184 richtig
fokussiert wird. Zusätzliches
Formen der Elektrode 126 steuert die elektrostatische Feldkonfiguration über der
Oberfläche
der Keramikscheibe 128 derart, dass die Möglichkeit
eines elektrischen Durchschlags über
der Oberfläche
der Keramikscheibe 128 auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Wenn der Elektronenstrahl 40 die Anode 184 erreicht,
hat er eine Energie erworben, welche in Elektronenvolt ausgedrückt rechnerisch
im Wesentlichen gleich der Spannung ist, welche zwischen der Elektronenkanone 198 und
der Anode 184 angelegt wird. Auf seiner weiterführenden
Bahn zum Ziel 50 wird der Elektronenstrahl 40 vorzugsweise
keinen zusätzlichen
axialen Kräften
ausgesetzt, so dass die Energie des Elektronenstrahls 40 beim Auftreffen
am Brennfleck 60 im Wesentlichen dieselbe ist wie jene, die er bei
der Anode 184 erworben hatte.
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Nach Verlassen des axialen Lochs
der Anode 184 tritt der Elektronenstrahl 40 durch
eine Magnetfokussierlinseneinheit 186 hindurch, welche
vorzugsweise eine dünne
Linsenkonstruktion ist, die einen zylindrischen Stahlmagnetkreis
mit einer U-förmigen Sektion
umfasst. Die statische Fokussierspule 185 ist vorzugsweise
innerhalb dieses Magnetkreises auf den Spulenkörper 272 gewickelt.
Die dynamische Fokussierspule 187 befindet sich vorzugsweise innerhalb
des Magnetkreisluftspalts und ist vorzugsweise auf einen haspelförmigen Spulenkörper 270 gewickelt.
Die dynamische Fokussierspule 187 ist vorzugsweise im Wesentlichen
mit weniger Drahtwindungen als die statische Fokussierspule 185 gewickelt,
so dass die dynamische Fokussierspule 187 eine geringere
Induktanz aufweist, wodurch sie erlaubt, dass der Strom, welcher
in der dynamischen Fokussierspule 187 fließt, rasch
geändert
wird. Ströme,
welche in der statischen Fokussierspule 185 und der dynamischen
Fokussierspule 187 fließen, bewirken, dass der Elektronstrahl 40 bei einem
Brennfleck 60 fokussiert wird. Bei Verwendung mit einem
Kollimationsgitter ist die Größe des Brennflecks 60 wichtig.
Er sollte klein genug sein, um die Durchlässigkeit des Röntgenstrahlenflusses
durch die Öffnungen
im Kollimationsgitter 90 zu maximieren, wenn er aber zu klein
ist, könnte
die resultierende, übermäßig hohe Energiedichte,
welche in dem Brennfleck 60 konzentriert ist, lokales Schmelzen
der Oberfläche
des Ziels 50 verursachen. Es hat sich herausgestellt, dass
eine Brennfleckgröße von 0,3
mm vorzuziehen ist, wenn die Röntgenstrahlenquelle 10 in
Verbindung mit dem Kollimationsgitter, das in der US-Patentanmeldung mit
Seriennummer 08/386861 beschrieben ist, verwendet wird.
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Von der Magnetfokussierlinseneinheit
wird die Bahn des Elektronenstrahls 40 durch ein zweiteiliges
Magnetablenksystem gesteuert, welches ein Langsamablenkjoch 190 und
ein Schnellablenkjoch 188 umfasst, welche koaxial um den
Keramikzylinder 180 herum angeordnet sind. Die Ablenkjoche werden in
Verbindung mit den ausführlichen
Beschreibungen von 11 bis 15 genauer beschrieben. Der
Keramikzylinder 180 ist im Gegensatz zu Metall vorzugsweise
aus einem keramischen Material gebildet, da die sich schnell ändernden
Magnetfelder, welche durch die Ablenkjoche 190 und 188 erzeugt
werden, in einem Metallzylinder Wirbelströme induzieren würden, welche
die Durchdringung der Magnetfelder hemmen und so die genaue Ablenkung
des Elektronenstrahls 40 stören würden. Der Keramikzylinder 180 ist
vorzugsweise aus Aluminiumoxid gebildet, wobei er an der Innenseite
mit einer dünnen
hochohmigen Beschichtung aus einer Nickel-Chrom-Legierung belegt
ist, welche dazu dient, den Aufbau einer elektrostatischen Ladung
zu verhindern, welche unerwünschte
Ablenkungen des Elektronenstrahls 40 verursacht. Der Widerstand
dieser Beschichtung ist vorzugsweise hoch und beträgt vorzugsweise
1000 Ohm, wenn zwischen den beiden Enden des Keramikzylinders 180 gemessen,
um induzierte Wirbelströme
auf ein Minimum herabzusetzen. Der Edelstahlfaltenbalg 178 stellt
ein zugentlastendes mechanisches Verbindungsmittel zum Keramikzylinder 180 bereit,
um die Ausübung
von Belastung auf den Keramikzylinder, welche zum Beispiel durch
fehlerhafte mechanische Ausrichtung verursacht wird, zu vermeiden.
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Wenn der Elektronenstrahl 40 im gewünschten
Abtastmuster über
der Fläche
des Ziels 50 abgelenkt wird, variiert die Länge der
Elektronenstrahlenbahn. Um dies auszugleichen, wird die Stärke der Magnetfokussierlinseneinheit 186 vorzugsweise
im Gleichlauf mit der Abtastung variiert, um die bestmögliche Größe des Brennflecks 60 aufrechtzuerhalten.
Dies wird vorzugsweise durch Betreiben der statischen Fokussierspule 185 bei
einem festen Strom bewerkstelligt. Die kleinen Änderungen in der Stärke des
Feldes, welches durch die dynamische Fokussierspule 187 erzeugt
wird, die erforderlich sind, um die bestmögliche Größe des Brennflecks 60 aufrechtzuerhalten,
werden durch Modulieren des Stroms, welcher in der dynamischen Fokussierspule 187 fließt, im Gleichlauf
mit den Strömen,
welche in den Ablenkjochen 188 und 190 fließen, erreicht.
Die bevorzugten Mittel zum Steuern und Antreiben der Ströme in der
dynamischen Fokussierspule 187 und der statischen Fokussierspule 185 werden
in der ebenfalls anhängigen
US-Patentanmeldung der Seriennummer 08/386861 genauer erörtert.
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Röntgenstrahlen
werden erzeugt, wenn der Elektronenstrahl 40 auf das Ziel 50 trifft,
welches vorzugsweise eine kreisförmige
Platte mit einem aktiven Durchmesser von 25,4 cm (10 Zoll) ist.
Ein Kollimationsgitter 90, welches eine Anordnung von Röntgenstrahlen
durchlässigen Öffnungen
enthält,
ist vorzugsweise zwischen dem Ziel 50 und der Mehrfachdetektoranordnung 110 angeordnet.
Das Ziel 50 und das Kollimationsgitter 90 werden
in Verbindung mit der ausführlichen
Beschreibung von 3 genauer erörtert.
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Der Infrarottemperaturfühler 192 überwacht das
Ziel 50 auf Übertemperaturbedingungen
durch Sichtfenster 194, welches sich in einer Wand der Endkappeneinheit 266 gegenüber dem
Ziel 50 befindet. Übertemperaturbedingungen
am Ziel 50 können z.
B. entstehen, wenn eine Störung
bewirkt, dass der Elektronenstrahl 40 zu lange an einem
Fleck auf dem Ziel 50 verweilt, anstatt dass er über seine
Fläche gleiten
gelassen wird. Der Infrarotfühler 192 erkennt übermäßig hohe
Temperaturen vorzugsweise durch Überwachen
der Größe der Lichtstärke der
Fläche des
Ziels 50 oder von Spektralverschiebungen in derselben.
Die Reaktionszeit des Fühlers 192 ist
vorzugsweise im Bereich von einer Mikrosekunde, um Durchbrennen
des Ziels zu vermeiden.
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Der Kühlmantel 196 und die
Kühlplatte 197 sind
vorzugsweise an der äußeren Vorderwand
und den äußeren Umfangswänden der
Endkappeneinheit 266 angebracht, um die Wärme abzuführen, welche durch
Elektronen, die vom Ziel 50 während des Normalbetriebs der
Abtaströntgenstrahlenquelle 10 zurückgestreut
werden, erzeugt wird. Die Wärme
wird durch die Verwendung eines Kühlmediums, vorzugsweise FluorinertTM, von 3M Corporation erhältlich, welches
vorzugsweise durch einen externen Wärmeaustauscher (nicht dargestellt)
zirkuliert, vom Kühlmantel 196 und
der Kühlplatte 197 abgeführt.
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In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Endkappeneinheit 266 aus Edelstahl hergestellt, weist
die Form eines Kegels auf und ist doppelwandig, so dass die Kühlfunktion
durch Zirkulierenlassen eines Kühlmediums
im Raum zwischen den inneren und äußeren Wänden erreicht werden kann,
wodurch die Notwendigkeit einer Kühlplatte 197 folglich
aufgehoben wird. Der Öffnungswinkel
der kegelförmigen Endkappeneinheit 266 entspricht
vorzugsweise jenem des kegelförmigen
Volumens, welches durch den Elektronenstrahl 40 abgesucht
wird, während
die radialen Abmessungen der Innenwand des Kegels so sind, dass
sie vorzugsweise einen Abstand von 1,2 cm zum kegelförmigen Volumen,
das durch den Elektronenstrahl 40 abgesucht wird, bereitstellen. Diese
bevorzugte Form reduziert die innere Oberfläche und das eingeschlossene
Volumen der Endkappeneinheit 266 und die Zeit, welche erforderlich
ist, um die Vakuumkolbeneinheit 176 auf einen annehmbar
niedrigen Druck zu evakuieren.
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3 veranschaulicht
eine vergrößerte schematische
Ansicht der bevorzugten Ziel 50- und Kollimationsgitter 90-Einheit.
Das Ziel 50 umfasst vorzugsweise eine Zielschicht 129,
welche durch einen Berylliumzielträger 130 getragen wird.
Ein bevorzugter Aufbau der Zielschicht 129 ist eine erste Schicht
aus Niob 51, welche ungefähr 1 Mikrometer dick ist und
auf den Zielträger 130 aufgetragen
wird, auf welche dann eine zweite Schicht aus Tantal 52, welche
ungefähr
5 Mikrometer dick ist, aufgetragen wird. Das bevorzugte Verfahren
zum Auftragen des Niobs 51 und des Tantals 52 ist
durch Bestäubung. Alternative
Verfahren umfassen chemisches Aufdampfen, Verdampfung und Ionenplattierung.
Die Niobschicht 51 dient als eine elastische Schicht, welche einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen jenen von Beryllium und Tantal aufweist, um zu helfen, die
Bildung von Spannungsrissen in der Tantalschicht 52 zu
verhindern, welche durch den hohen augenblicklichen Temperaturunterschied
zwischen dem Beryllium und dem Tantal am Brennfleck 60 verursacht
werden können,
mit der daraus folgenden unterschiedlichen Ausdehnung zwischen dem
Tantal- und dem Berylliumsubstrat, welche Rissbildung verursachen
kann. Bei einem alternativen Verfahren zum Auftragen der Zielschicht 129 auf
den Zielträger 130 kann
der Beschichtungsvorgang bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt werden,
so dass anschließende
Abkühlung
eine Druckspannung in der Zielschicht 129 erzeugt, um die
Betriebszugspannung in der Zielschicht 129 am Brennfleck 60 um ein Maß zu reduzieren,
welches ungefähr
gleich der anfänglichen
Druckspannung ist. Eine andere Ausführungsform ist eine Tantalschicht,
welche direkt auf den Zielträger 130 aufgetragen
wird. Noch eine andere Ausführungsform
ist eine Zielschicht 129 aus einer Legierung von Wolfram
und Rhenium. Eine weitere Ausführungsform
ist eine Zielschicht 129 aus Wolfram. In jeder dieser Ausführungsformen
kann eine Zwischenschicht aus einem elastischen Material, wie beispielsweise
Niob, verwendet werden. Wolfram, Tantal und Wolfram-Rhenium sind
bevorzugte Materialien für
die Zielschicht 129, da sie hohe Protonenzahlen aufweisen,
was sie gekoppelt mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
hoher spezifischer Wärme
und einem hohen Schmelzpunkt zu wirksamen Erzeugern von Röntgenstrahlen
macht. Die Dicke der Zielschicht 129 wird vorzugsweise
so ausgewählt,
dass sie der Distanz entspricht, welche durch Elektronen der höchsten Betriebsenergie
im Material zurückgelegt wird.
In einer alternativen Ausführungsform
wird vorzugsweise eine geringere Dicke für die Zielschicht 129 verwendet.
Wenn in der ersten beschriebenen Ausführungsform die Röntgenröhre am niedrigen Ende
ihres Betriebsbereichs, zum Beispiel 70 kV, betrieben wird, durchdringen
Elektronen, welche auf das Ziel treffen, die Zielschicht 129 nicht
zur Gänze, und
die Röntgenstrahlen,
welche erzeugt werden, werden dann abgeschwächt, wenn sie durch den Rest
der Zielschicht 129 durchtreten. Bei einer festen Elektronenstrahlenenergie
beträgt
der Röntgenstrahlenfluss
bei 70 kV etwa 30% von jenem bei 100 kV, weshalb es wünschenswert
ist, die Dicke der Zielschicht 129 bei 70 kV basierend
auf dem Elektronenbereich in diesem Material zu wählen, um
den Röntgenstrahlenfluss
bei 70 kV zu maximieren, während bei
100 kV ein etwas niedrigerer Umwandlungswirkungsgrad von Elektronen strahlenenergie
zu Röntgenstrahlenfluss
akzeptiert wird. Der Umwandlungswirkungsgrad bei 100 kV ist dennoch
höher als
der bei 70 kV.
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Beryllium wird für den Zielträger 130 gegenwärtig bevorzugt,
da es eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist und eine geringe Abschwächung
von Röntgenstrahlen
mit der hohen mechanischen Festigkeit kombiniert, welche erforderlich ist,
um die mechanische Durchbiegung der Zielträgers 130, welche durch
den atmosphärischen
Druck und den Kühlmitteldruck
verursacht wird, auf ein Minimum herabzusetzen. Die Dicke des Zielträgers 130 beträgt vorzugsweise
etwa 0,5 cm.
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Das Kollimationsgitter 90 umfasst
vorzugsweise eine kreisförmige
Anordnung mit einem Durchmesser von 25,4 cm (10 Zoll) von regelmäßig beabstandeten
vertikalen Spalten und horizontalen Reihen von Öffnungen 140 mit 166 Öffnungen
sowohl im vertikalen als auch im horizontalen Durchmesser. Die Gesamtzahl
von Öffnungen
140 im Kollimationsgitter 90 beträgt vorzugsweise etwa 21.642.
Die Achse jeder Öffnung 140 zeigt
zur Mitte der Mehrfachdetektoranordnung 110 ( 1). Während sich Röntgenstrahlen,
die vom Brennfleck 60 erzeugt werden, in alle Richtungen
bewegen, stellt das Kollimationsgitter 90 eine Barriere
bereit, welche alle jene abschwächt,
die nicht zur Detektoranordnung 110 gerichtet sind. Das
bevorzugte Kollimationsgitter bei alternativen Ausführungsformen
wird in der ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung der Seriennummer 08/386861 genauer beschrieben.
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Eine Kühlkammer 350 ist vorzugsweise
zwischen dem Ziel 50 und dem Kollimationsgitter 90 angeordnet.
Die Kühlkammer 350 ist
vorzugsweise 0,2 cm dick und kann geeignet sein, Wasser, Gebläseluft oder
andere Arten von Kühlmedien
zu befördern.
Das gegenwärtig
bevorzugte Kühlmittel
ist ein flüssiges FluorinertTM, welches
von der 3M Corporation erhältlich
ist. Das Kühlmittel
fließt
durch die Kühlkammer
350, um die Wärme
zu absorbieren, welche durch den Elektronenstrahl 40 abgegeben
wird, wenn er auf das Ziel 50 trifft. Dann fließt das Kühlmittel
durch einen externen Wärmeaustauscher,
wo es abgekühlt
wird, bevor es zur Kühlkammer 350 zurückgeführt wird.
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4 ist
eine auseinander gezogene Ansicht der Komponenten der Hochspannungsanschlusseinheit 803.
Wie in Verbindung mit 2 genauer
beschrieben, wird vorzugsweise ein Potenzial von ungefähr –70 kV bis –120 kV
durch die Feder 152, welche in eine Zahnung in der Außenseite
der Hochspannungsanschlussendplatte 154 eingepasst ist,
an die Hochspannungsanschlusseinheit 803 angelegt. Die
Leiterplatte 214 enthält
vorzugsweise die Faseroptikkommunikationsschaltungen für die Komponenten
der Hochspannungsanschlusseinheit 803. Acht Faseroptikkommunikationskabel
sind vorzugsweise durch eine Steckdurchführungseinheit 166 in der
Hochspannungsanschlussendplatte 154 mit der Leiterplatte 214 verbunden.
Die bevorzugten Faseroptikkommunikationsschaltungen sind in der
ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung der Seriennummer 008/386861 genauer beschrieben.
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Auf Grund des Hochspannungspotenzials, welches
an die Hochspannungsanschlusseinheit 803 angelegt wird,
wird vorzugsweise ein Trenntransformator 744 eingesetzt,
um die Komponenten innerhalb der Hochspannungsanschlusseinheit 803 mit Energie
zu versorgen. Die Sekundärspuleneinheit 1271 des
Trenntransformators 744 ist an einem Aluminiumzylinderring 226 angebracht,
welcher an die Hochspannungsanschlussendplatte 154 und
das Leiterplattengehäuse 212 geschraubt
dargestellt ist. Eine flache Beilagescheibe aus leitendem Silicongummi 288 ist
vorzugsweise zwischen ein Ende der Sekundärspuleneinheit 1271 und
die Hochspannungs anschlussendplatte 154 gedrückt und
stellt elektrische Leitfähigkeit
zwischen den beiden Komponenten bereit. Auf ähnliche Weise ist eine andere flache
Beilagescheibe aus leitendem Silicongummi 290 zwischen
das Ende der Sekundärspuleneinheit 1271 und
das Leiterplattengehäuse 212 gedrückt, um
elektrische Leitfähigkeit
zwischen diesen beiden Komponenten bereitzustellen. Das Leiterplattengehäuse 212 umfasst
vorzugsweise einen tiefgezogenen Aluminiumbecher, wobei ein axiales
Loch mit großem
Durchmesser in der Becherendplatte ausgebildet ist. Innerhalb des
Leiterplattengehäuses 212 ist ein
Leiterplattenstapel enthalten, welcher die drei Leiterplatten 206, 208 und 210 umfasst.
Die Leiterplatten 206, 208 und 210 enthalten
vorzugsweise alle elektrischen Komponenten, welche für den Betrieb der
Elektronenkanone 198 notwendig sind. Insbesondere enthalten
diese Leiterplatten vorzugsweise eine Niederspannungsheizenergieversorgung,
eine feste Energieversorgung von –2 kV und eine Energieversorgung
mit regulierbarer Spannung von 0 bis –2 kV. Jede Leiterplatte ist
kreisförmig
und enthält
einen I-förmigen
Vollaluminiumkühlkörper 216,
welcher von ihrer Oberfläche
vorsteht. Die Leiterplatten 206, 208 und 210 sind
zusammengeschraubt, um eine kompakte Stapeleinheit zu bilden, wobei
elektrische Verbindung zwischen jeder Platte mittels Gegenstecker, die
auf jeder Platte angebracht sind, erreicht wird. Die Faseroptikschaltungsanordnung,
welche sich auf der Leiterplatte 214 befindet, ist vorzugsweise über ein Flachbandkabel,
welches sich axial durch die Mitte der Sekundärspuleneinheit 1271 und durch
das Loch im Ende des Schalkreisplattengehäuse 212 erstreckt,
mit einem Verbinder auf der Leiterplatte 210 verbunden.
Das Hochspannungsanschlussträgerelement 202 ist
aus Aluminium in Form eines Kegels hergestellt, wobei ein rückseitiger
Flansch mit zwei Gruppen von drei Gewindestangen 204, welche
sich auf der Rückseite
des Flansches diametral gegenüberliegen,
eingepasst ist.
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Die drei Leiterplatten 206, 208 und 210 sind am
Trägerelement 202 angebracht
dargestellt, wobei die drei Gewindestangen 204 durch Löcher, welche sich
auf den Kühlkörpern 216 befinden,
eingeführt sind.
Das Leiterplattengehäuse 212 lässt sich über die
Leiterplatten 206, 208 und 210 schieben,
so dass die Gewindestangen 204 durch Löcher im Ende des Leiterplattengehäuses 212 vorstehen.
Die Leiterplatten 206, 208 und 210 werden
auf diese Weise vor den Wirkungen des starken elektrischen Feldes,
welches auf der Außenfläche des
Leiterplattengehäuses 212 besteht,
geschützt.
Die Einheit, welche die Leiterplatten 206, 208, 210 zusammen
mit dem Leiterplattengehäuse 212 umfasst,
wird vorzugsweise durch Muttern zusammengehalten, welche an den Enden
der Gewindestangen 204 angebracht werden. Unter Bezugnahme
auf 2 ist das Hochspannungsanschlussträgerelement 202 vorzugsweise
an den Flansch 224 auf der Elektronenkanone 198 geschraubt.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist die Elektronenkanone 198 vorzugsweise
innerhalb der stirnseitigen Öffnung
des Hochspannungsanschlussträgerelements 202 angebracht.
Unter Bezugnahme auf 2 ist
vorzugsweise eine Metallhülse
innerhalb der zentralen Öffnung
der Keramikscheibe 128 angebracht, und an diese Metallhülse ist
eine geflanschte Vakuumröhre 221 geschweißt. Der
Flansch 224 auf der Elektronenkanoneneinheit 198 ist
mit einer dazwischen liegenden Kupferdichtungsscheibe, welche eine
Dichtung zwischen dem SF6, das in der Elektronenstrahlenquelle 112 enthalten
ist, und dem Hochvakuum in der Vakuumkolbeneinheit 176 bereitstellt, an
die Flanschsektion der Vakuumröhre 221 geschraubt
dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht
ein vereinfachtes Verfahren zum Auswechseln der Elektronenkanone 198.
Durchführungsleitungen 222 auf der
Elektronenkanoneneinheit 198 treten durch die keramische
Isolierscheibe 218, um eine Verbindung mit den Innenelektroden der
Elektronenkanone 198 herzustellen.
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Die Elektronenkanone 198 umfasst
vorzugsweise eine Heizspule, welche in die Elektronen emittierende
Kathode 220 eingebettet ist, wobei die Kathode 220 hinter
dem Steuergitter 200 angebracht ist. Die ganze Elektronenkanonenstruktur
wird vorzugsweise von den Durchführungsleitungen 222 auf
der Vakuumkolbeneinheit 176-Seite der Keramikscheibe 218 getragen.
Die Durchführungsleitungen 222 stellen
auch elektrische Verbindungsmittel zu den Elektroden innerhalb der
Struktur der Elektronenkanone 198 bereit. Die gegenwärtig bevorzugte
Kathode 220 ist ein zylindrisches Stück aus porösem Wolfram, welches mit Materialien
niedriger Austrittsarbeit imprägniert
ist und problemlos Elektronen emittiert. Derartige Kathoden sind
als Vorratskathoden bekannt und sind von Spectromat Inc. erhältlich.
Der Einsatz einer imprägnierten
Wolframkathode erlaubt die Verwendung einer Kathode mit kleinem
Durchmesser, da die Elektronenstrahlenstromdichte, welche von einer
derartigen Kathode erhältlich
ist, wesentlich höher
ist als die eines Emitters aus reinem Metall, wie beispielsweise
eines Wolframfilaments. Da der Brennfleck 60 vorzugsweise
klein ist, ist auch die Elektronenquelle vorzugsweise klein. Die
eingebettete Heizspule wird durch einen elektrischen Strom, welcher
durch eine Niederspannungsheizenergieversorgung innerhalb der Hochspannungsanschlusseinheit 803 erzeugt
wird und welcher durch zwei der Durchführungsleitungen 222 fließt, mit
Energie versorgt. Die Heizspule erhöht die Temperatur der Kathode 220 vorzugsweise
auf ungefähr
1100°C, welches
die Temperatur ist, bei welcher die bevorzugte Kathode 220 den
erforderlichen Elektronenstrahlenstrom emittiert. Diese Elektronen
werden im Spalt zwischen der Elektronenkanone 198 und der Anode 184 durch
die Wirkung der negativen Hochspannung, welche an die Elektronenkanone 198 angelegt
wird, auf eine Energie zwischen 70 keV und 120 keV beschleunigt.
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Das Steuergitter 200 umfasst
vorzugsweise eine zylindrische Elektrode, welche die Kathode 220 umgibt,
wobei eine Endplatte mit Öffnungen
etwas vor der Oberfläche
der Kathode 220 positioniert ist. Der Elektronenstrahl 40,
welcher von der Kathode emittiert wird, kann durch Anlegen einer
Spannung an das Steuergitter 200 in der Intensität variiert
werden, wobei eine derartige Spannung eine negative Polarität in Bezug
auf die Kathode 220 aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform
hemmt das Anlegen von –2
kV von einer Energieversorgung mit festem Potenzial in der Hochspannungsanschlusseinheit 803 durch
die Durchführungsleitungen 222 an das
Steuergitter 200 den Fluss des Elektronenstrahls 40 völlig. Das
Anlegen eines regulierbaren Potenzials im Bereich von 0 bis –2 kV an
das Steuergitter 200 von einer Energieversorgung mit regulierbarer
Spannung in der Hochspannungsanschlusseinheit 803 variiert
die Intensität
des Elektronenstrahls 40 im Bereich von 0 bis 60 mA. Die Röntgenstrahlenquelle 10 wird
vorzugsweise in einem Impulsmodus betrieben, so dass der Elektronenstrahl 40 für eine Zeitspanne in
Bezug auf den Elektronenstrahlenabtastmodus rasch weitergepulst
wird. Dies wird vorzugsweise mittels zweier Festkörperschaltkreise,
welche innerhalb der Leiterplatten 206, 208 und 210 enthalten
sind, erreicht. Jeder Schaltkreis umfasst vorzugsweise eine hintereinander
geschaltete Kette von Feldeffekttransistoren, die mittels Befehlssignalen,
welche durch Faseroptikkabel 168 übertragen werden, ein- und ausgeschaltet
werden können.
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Unter Bezugnahme auf 5 sind die Komponenten in den Leiterplatten 206, 208 und 210,
welche Wärme
erzeugen, wie beispielsweise Leistungstransistoren und Spannungsregelungskomponenten 21,
vorzugsweise an den Kühlkörpern 216 befestigt. Die
drei Leiterplatten sind gestapelt, und die Kühlkörper sind mittels der Gewindestangen 204 zusammengeklemmt.
Wärme,
welche in den Kühlkörpern 216 durch
die Komponenten 217 abgegeben wird, wird vorzugsweise zum
Hochspannungsanschlussträgerelement 202 geleitet.
Der Großteil
der Wärme wird
dann durch Konvektion des SF6-Gases und
infolgedessen zu den Außenwänden der
Elektronenstrahlenquelle 112 abgeführt. SF6-Gas
unter Druck ist das bevorzugte Wärmeaustauschmedium,
und die natürlichen
Konvektionskräfte
werden durch die Umwälzung
des Gases, welche durch das starke elektrische Feld bewirkt wird,
verstärkt.
Ein Teil der Wärme des
Anschlussträgerelements 202 wird
auch durch Leiten durch die Keramikscheibe 128 abgeführt.
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6 bis 10 zeigen Ansichten eines
bevorzugten Trenntransformators, welcher nicht zur vorliegenden
Erfindung gehört.
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Zwei Ablenkjoche, das Schnelljoch 188 und das
Langsamjoch 190, werden vorzugsweise eingesetzt, um den
Elektronenstrahl 40 im erforderlichen Abtastmuster über die
Oberfläche
des Ziels 50 zu bewegen. Das Langsamablenkjoch 190 umfasst
vorzugsweise sattelartige X- und Y-Ablenkspulen, welche innerhalb
der inneren Schlitze eines Ferritzylinders gewickelt sind. Solch
eine Konstruktionstechnik wurde für die Ablenkjoche verwendet,
welche bei Fernsehbildröhren
verwendet wurden. 11 zeigt eine
schematische Darstellung eines bevorzugten Schnellablenkjochs 188.
In 11 ist die X-Achse als
Horizontale definiert und ist die Y-Achse als Vertikale definiert,
wenn 11 in ihrer richtigen
Ausrichtung betrachtet wird. Die Y-Stufenablenkspulen 265 und 266 und
die X-Stufenablenkspulen 268 und 270 sind
mit Kupfermagnetdraht kreisringförmig
in inneren Schlitzen, welche im Innendurchmesser des Ferritrings 286 ausgebildet
sind, gewickelt. Die Spulen des Schnellablenkjochs 188 sind
vorzugsweise mit weniger Windungen als die Spulen des Langsamablenkjochs 190 gewickelt,
wodurch sichergestellt wird, dass die Spulen des Schnellablenkjochs
188 im Vergleich zu jenen auf dem Langsamablenkjoch 190 wesentlich
niedrigere Eigeninduktivitäten
aufweisen. Diese niedrigere Eigeninduktivität der Spulen auf dem Schnellablenkjoch 188 macht
es möglich,
kleine schnelle Stufenänderungen
in den Amplituden der Ströme,
welche in den Spulen 265, 266, 268 und 270 fließen, mit
den resultierenden schnellen Stufenänderungen in der Position des
Elektronenstrahls 40 auf dem Ziel 50 zu bewirken.
Die bevorzugte Schaltungsanordnung zum Steuern und Antreiben des Stroms
in den Spulen der Schnell- und Langsamablenkjoche wird in der ebenfalls
anhängigen
US-Patentanmeldung
der Seriennummer 08/386861 genauer erörtert. Die Anzahl von Windungen,
welche in 11 abgebildet
sind, dient lediglich Veranschaulichungszwecken und ist nicht als
die bevorzugte Anzahl von Windungen anzusehen.
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Die Ablenkung des Elektronenstrahls 40 durch
die Ablenkjoche 188 und 190 führt zu Aberrationen von der
idealen Leistung, deren Wirkung sich steigert, wenn der Ablenkungswinkel
des Elektronenstrahls 40 größer wird. Diese Aberrationen
bewirken, dass sich der Brennfleck 60 mit der Zunahme seiner Entfernung
vom Zentrum des Ziels 50 von der Kreisförmigkeit entfernt. Die 45°-Stigmatorspule 784 und die
0°-Stigmatorspule
786 werden vorzugsweise eingesetzt, um diese Aberrationen zu korrigieren.
Ströme,
welche von einer externen Quelle geliefert werden, fließen durch
die Stigmatorspulen 784 und 786, um die Ablenkmagnetfeldkonfiguration
zu modifizieren. Die Amplituden und Richtungen dieser Ströme werden
so programmiert, dass für
den Brennfleck 60 eine Kreisform aufrechterhalten wird,
wenn er über die
Fläche
des Ziels 50 gleiten gelassen wird. Die 45°-Stigmatorspule 784 und
die 0°-Stigmatorspule 786
sind vorzugsweise bei den 0°-
und 45°-Positionen
kreisringförmig
um den Ferritring 286 herum gewickelt.
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Die bevorzugten Schaltkreise, welche
eingesetzt werden, um den Strom in der 45°-Stigmatorspule 784 und der
0°-Stigmatorspule 786 zu
steuern und anzutreiben, werden in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung
der Seriennummer 08/386861 genauer erörtert.
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Unter Bezugnahme auf 12 und 13 sind Mittel
bereitgestellt, um die Achsen der Ablenkjoche drehend einzustellen,
so dass sie in Bezug auf die Öffnungen
des Kollimationsgitters 90 richtig ausgerichtet sind. Die
Endplatte 314, welche an der Endkappeneinheit 266 starr
befestigt ist, enthält
zwei drehende Trägerelemente 316 und 317 entlang
ihrer Außenfläche, eines
auf jeder Seite des Langsamablenkjochs 190. Das drehende
Trägerelement 316 enthält eine
C-förmige
Sektion, wobei eine Einstellschraube 318 durch den oberen
Abschnitt eingeführt
ist und eine Einstellschraube 318 durch den unteren Abschnitt
der Cförmigen
Sektion eingeführt
ist.
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Die Langsamspule 190 ist
zwischen zwei identische Ausrichtklemmen 326 und 328 geklemmt. Die
Ausrichtklemme 326 enthält
eine flache rechteckige Zunge, welche sich zwischen dem oberen und dem
unteren C-förmigen
Abschnitt des drehenden Trägerelements 316 nach
außen
erstreckt. Die Feststellschraube 322 erstreckt sich durch
eine Nut 324 in der Ausrichtklemmenzunge in ein Passloch
im drehenden Trägerelement 316.
Die Einstellschrauben 318 und 320 werden festgezogen,
um mit der oberen und der unteren Fläche der Ausrichtklemmenzunge Kontakt
herzustellen. Eine ähnliche
Einheit ist auf der anderen Seite des Langsamjochs 190 in
Bezug auf die andere Ausrichtklemme 328 vorhanden. Um die drehende
Einstellung des Langsamjochs 190 zu bewirken, werden die
Feststellschraube 322 auf der Ausrichtklemme 326 und
eine ähnliche
Feststellschraube auf der Ausrichtklemme 328 gelockert,
um freie Drehbewegung der Ausrichtklemmen 326 und 328 zu
erlauben. Die Einstellschrauben 318 und 320 werden
dann zusammen mit ähnlichen
Einstellschrauben für
die Ausrichtklemme 328 eingestellt, um die Ausrichtklemmen 326 und 328 drehend
zu positionieren, um dadurch eine entsprechende drehende Einstellung
für das
Langsamjoch 190 um den zentralen Keramikzylinder 180 herum zu bewirken.
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Ein drehendes Trägerelement 330, welches zwei
rechteckige Vorsprünge
enthält,
erstreckt sich durch obere und untere rechteckige Nuten in den Ausrichtklemmen 326 und
haftet daran. Das drehende Trägerelement 330 enthält eine
C-förmige
Sektion, wobei eine Einstellschraube 332 durch den oberen
Abschnitt eingeführt
ist und eine Einstellschraube 334 durch den unteren Abschnitt
der C-förmigen
Sektion eingeführt
ist. Ein ähnliches
drehendes Trägerelement 331 und
die Feststellschrauben 333 und 335 erstrecken
sich zur anderen Ausrichtklemme 328 und haften daran.
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Der Zylinderring 338, entlang
dessen Innenfläche
das Schnelljoch 188 angebracht ist, ist mit zwei rechteckigen
Einstellplatten 340 und 342 entlang seiner Außenfläche ausgebildet.
Die rechteckige Einstellplatte 340 erstreckt sich zwischen
dem oberen und dem unteren C-förmigen
Abschnitt des drehenden Trägerelements 330 nach
außen.
Die Feststellschraube 336 erstreckt sich durch eine Nut in
der Einstellplatte 340 in ein Passloch im drehenden Trägerelement 330.
Die Einstellschrauben 332 und 334 werden festgezogen,
um mit der oberen und der unteren Fläche der Einstellplatte 340 Kontakt
herzustellen. Die Einstellplatte 342 ist auf ähnliche
Weise zwischen dem oberen und dem unteren C-förmigen Abschnitt des drehenden
Trägerelements 331 positioniert.
Um die drehende Einstellung des Schnelljochs 188 zu bewirken,
werden die Feststellschraube 336 auf der Einstellplatte 340 und
eine ähnliche
Feststellschraube auf der Einstellplatte 342 gelockert,
um freie Drehbewegung des Zylinderrings 338 zu erlauben.
Die Einstellschrauben
332 und 334 werden dann
zusammen mit ähnlichen
Einstellschrauben 333 und 335 für die Einstellplatte 342 eingestellt,
um den Zylinderring 338 drehend zu positionieren, um dadurch
eine entsprechende drehende Einstellung des befestigten Schnelljochs
188 um den zentralen Keramikzylinder 180 herum zu bewirken.
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Die Magnetfokussierlinseneinheit 186 kann axial
entlang der Länge
der Vakuumkolbeneinheit 176 positioniert sein, um die Mindestgröße des Elektronenstrahlenflecks
auf dem Ziel 50 zu regulieren. Derartiges Positionieren
kann die Beschädigung
des Ziels 50 durch Mindestgrößen des Elektronenstrahlenflecks,
welche allzu konzentriert sind, was das Ziel 50 verbrennen
kann, verhindern. Die Positionierstange 274 erstreckt sich
von der vorderen Endplatte 138 zu einer Endplatte 314,
welche an der Endkappeneinheit 266 starr befestigt ist.
Fünf solcher
Positionierstangen sind vorzugsweise entlang des äußeren Umfangs
der Endplatten 314 und 138 in gleichen Abständen angeordnet.
Die Magnetfokussierlinseneinheit 186 ist zwischen einer
vorderen Trägerplatte 346 und
einer hinteren Trägerplatte 344 angebracht.
Fünf rechteckige
Klemmen 276 sind vorzugsweise an der vorderen Trägerplatte 346 befestigt,
wobei jede eine entsprechende Positionierstange 274 umschließt. Um die
Fokussierspulenstruktur 186 zu positionieren, werden die
Feststellschrauben 278 auf den Klemmen 276 gelöst, wodurch
die Fokussierspulenstruktur entlang der Positionierstangen 274 verschoben
werden kann. Sobald die bestmögliche
Position festgesetzt ist, werden die Feststellschrauben 278 in
einer Feststellposition festgezogen.
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Die Magnetfokussierlinseneinheit 186 kann radial
bewegt werden, um die Magnetmittelachse der Fokussierlinseneinheit 186 mit
der Mittelachse des Elektronenstrahls 40 auszurichten,
wenn der Elektronenstrahl 40 nicht durch die Joche 188 und 190 abgelenkt wird.
Die Ausrichtung der Fokussierlinseneinheit 186 erfolgt
mittels vier Justierschrauben (nicht dargestellt), welche aus Gewindelöchern in
der Platte 346 radial vorstehen. Die inneren Enden dieser
Justierschrauben stoßen
gegen den Außendurchmesser des
U-förmigen
Magnetkreiselements. Das Drehen dieser Schrauben bewirkt, dass sich
das Magnetkreiselement in einer radialen Richtung in Bezug auf die Platte 346 bewegt.
Die Magnetfokussierlinseneinheit 186 ist nur zu Veranschaulichungszwecken
als ein Festkörper
in 12 dargestellt.
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Wie bereits erwähnt, wird der Elektronenstrahl 40 in
einem vorgegebenen Abtastmuster über die
Fläche
des Ziels 50 bewegt. Auf Grund des Kollimationsgitters 90,
welches im bevorzugten Abtaststrahlen-Röntgenbilderzeugungssystem
eingesetzt wird, wird der Elektronenstrahl 40 vorzugsweise
in einem „Stufen"-Muster gleiten gelassen. Dieses Stufenmuster
wird verwendet, um den Elektronenstrahl 40 auf einen Fleck
auf dem Ziel 50 zu richten, welcher für eine festgelegte Zeitspanne
auf der Achse einer bestimmten Kollimationsgitteröffnung 140 liegt, und
dann den Elektronenstrahl 40 rasch zu einem anderen Fleck
auf dem Ziel 50 direkt auf der Achse der nächsten bestimmten
Kollimationsgitteröffnung 140 zu
bewegen. Der Elektronenstrahl 40 bewegt sich rasch zur
nächsten
Zielposition, um den nutzbaren Röntgenstrahlenfluss,
welcher durch die Kollimationsöffnung
emittiert wird, zu maximieren.
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Der Elektronenstrahl 40 wird
in diesem Stufenmuster durch das Schnellablenkjoch 188,
welches in Kombination mit dem Langsamablenkjoch 190 arbeitet,
gelenkt. Innerhalb des Langsamablenkjochs 190 dienen die
X- und Y-Ablenkspulen, um auf eine herkömmliche Weise eine veränderliches
Magnetfeld anzulegen, so dass der Elektronenstrahl 40 in
einem Absuchmuster über
das Ziel 50 gleiten gelassen wird. Die Breite und die Höhe des Absuchmusters
werden durch das Strommuster, welches an die X- und Y-Ablenkspulen
angelegt wird, reguliert.
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Innerhalb des Schnellablenkjochs 188 legen die
X-Stufen- und Y-Stufenablenkspulen 264, 266, 268, 270 ein
sich schnell bewegendes Magnetfeld an, um das Magnetfeld, welches
durch das Langsamablenkjoch 190 erzeugt wurde, zu modifizieren.
Die Kombination der Magnetfelder, welche durch das Schnell- und
das Langsamablenkjoch erzeugt werden, ist derart, dass der Elektronenstrahl 40 in
einem Stufenmuster über
dem Ziel 50 abgelenkt wird. Vorzugsweise werden Schnellablenkjoche 188 eingesetzt,
da herkömmliche
Langsamablenkjoche, welche ausgelegt sind, um den Elektronenstrahl
zu schwenken, normalerweise eine hohe Spannung benötigen, um
ihren Strom schnell genug zu ändern,
um das notwendige Stufenmuster zu erzeugen, insbesondere in der
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Elektronenstrahl vorzugsweise
hinter einer Öffnungsanordnung von
166 zu 166 mit einer Abtastrahmenfrequenz von 30 Hz abgestuft wird.
Die Spulen in den bevorzugten Schnellablenkjochen 188 sind
mit kürzeren
Längen und
weniger Windungen als die Langsamablenkjoche 190 gewickelt,
wodurch sie schnelle Stromänderungen
erlauben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Elektronenstrahl 40 in einem abgestuften Rasterabtastmuster über der
Fläche
des Ziels 50 abgelenkt, wie in 14 veranschaulicht. Das bevorzugte Verfahren
zur Ablenkung des Elektronenstrahls 40 in einem Rasterabtastmuster
ist in 14A–F in einem Diagramm
dargestellt. 14A veranschaulicht
ein lineares Probenmuster, welches auf die X-Ablenkspulen 280 und 282 angewendet
wird und eine herkömmliche
X-Absuche des Ziels 50 durch den Elektronenstrahl 40 hervorruft. 14C veranschaulicht das
Sägezahnmuster,
welches auf die X-Stufenablenkspulen 264 und 266 angewendet
wird und welches das resultierende Stufenmuster hervorruft, wie in 14E dargestellt, wenn es
mit dem X-Ablenkmuster von 14A kombiniert
wird.
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14B veranschaulicht
das Muster, welches an die Y-Ablenkspulen 276 und 278 angelegt wird,
um eine herkömmliche
Y-Absuche des Ziels 50 durch den Elektronenstrahl 40 hervorzurufen.
Wie in 14D angezeigt,
wird an die Y-Stufenablenkspulen kein Strom angelegt, wenn im horizontalen
Rücklaufmodus
abgetastet wird, da die Zeitspanne, welche der Elektronenstrahl 40 benötigt, um
vom Ende einer horizontalen Reihe zum Anfang der nächsten horizontalen
Reihe „zurückzulaufen", der Y-Ablenkspule
genügend
Reaktionszeit gibt, um den Strom in ihrer Spule zu modifizieren,
so dass der Elektronenstrahl korrekt zur richtigen Y-Position abgelenkt
wird.
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In einer alternativen Ausführungsform
wird der Elektronenstrahl 40 in einem abgestuften Schlangenlinienmuster über dem
Ziel 50 abgelenkt, wie in 15 veranschaulicht.
Das bevorzugte Verfahren zur Ablenkung des Elektronenstrahls 40 in
einem abgestuften Schlangenlinienmuster ist in 15A–F in einem
Diagramm dargestellt. 15A veranschaulicht
ein Probenmuster, welches an die X-Ablenkspulen 280 und 282 angelegt
wird und eine X-Absuche des Ziels 50 durch den Elektronenstrahl 40 hervorruft. 15C veranschaulicht das
Sägezahnmuster, welches
an die X-Stufenablenkspulen
angelegt wird, wobei ein Bespiegeltes Sägezahnmuster angelegt wird,
wenn der Elektronenstrahl 40 beginnt, die nächste horizontale
Reihe abzutasten, wodurch das resultierende Stufenmuster hervorgerufen
wird, wie in 15E dargestellt,
wenn es mit dem X-Ablenkmuster von 15A magnetisch
kombiniert wird. Ein alternatives X-Stufenmuster könnte die Verwendung eines negativen
Sägezahnmusters
während
der horizontalen Rücklaufstufenperiode
umfassen, wie in 15G dargestellt.
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15B veranschaulicht
ein Stromprobenmuster, welches an die Y-Ablenkspulen 276 und 278 angelegt
wird, um eine Y-Absuche des Ziels 50 durch den Elektronenstrahl 40 hervorzurufen.
Das Y-Stufen-Sägezahnmuster
in 14D wird angelegt, wenn
der abtastende Elektronenstrahl 40 das Ende einer horizontalen
Reihe erreicht und das resultierende Y-Muster, welches in 14F dargestellt ist, hervorruft, wenn
es mit dem Y-Ablenkspulenmuster magnetisch kombiniert wird.
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In einer anderen alternativen Ausführungsform
wird der Elektronenstrahl 40 in einem abgestuften Schlangenlinienmuster,
wie in der vorstehenden Ausführungsform
beschrieben, gleiten gelassen, aber die Y-Stufenspulen werden nicht
verwendet, wenn der Elektronenstrahl das Ende einer horizontalen
Reihe erreicht. Die erforderliche Y-Richtungsablenkung des Elektronenstrahls 40 wird
bewirkt, indem die langsamen Y-Spulen im Langsamjoch 190 verwendet
werden. Die längere
Zeit, die gebraucht wird, um die Stufe von Reihe zu Reihe zu erreichen,
führt normalerweise
zu einer kleinen Reduktion in der Wirksamkeit der Röntgenstrahlenerzeugung.
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Die Größe und die Form der Strommuster, welche
in 14A–F und 15A–F abgebildet sind,
sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken dargestellt. Die tatsächlichen
Strommuster, welche an die X- und Y-Ablenkspulen, sowie die X-Stufen- und
Y-Stufen-Ablenkspulen
angelegt werden, hängen
von vielen Faktoren ab, welche die Geschwindigkeit der Bewegung
des Elektronenstrahls, den Grad der bereits angewendeten Ablenkung,
die Anzahl der Kollimatoröffnungen,
die Verweilzeit für
jede Kollimatoröffnungsstelle,
die Anzahl von Windungen für
jede Spule und die genaue Anordnung der Ablenkspulen umfassen können.
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Obwohl Ausführungsformen, Anwendungen und
Vorteile der Erfindung mit ausreichender Klarheit dargestellt und
beschrieben wurden, um den Fachmann zu befähigen, die Erfindung zu machen
und zu verwenden, ist es für
den Fachmann ebenso offensichtlich, dass viel mehr Ausführungsformen,
Anwendungen und Vorteile möglich
sind, ohne sich von den Erfindungskonzepten, welche hierin offenbart
und beschrieben werden, zu entfernen.