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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Röntgenröhren, und
insbesondere eine Hochleistungs-Röntgenröhre, der eine Abbildungsleuchtfleckgröße erzeugt,
die über
einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
ist im Stand der Technik wohlbekannt, eine Röntgenquelle zu verwenden, um
planare Bilder für
medizinische und technische Diagnoseanwendungen zu erzeugen. Auf
dem Gebiet der technischen Diagnoseabbildung sind Röntgenstrahlen
besonders wirksam beim Durchdringen innerer Strukturen eines festen
Abbildungsobjekts, und die durch Röntgenstrahlen, die dort hindurchdringen,
erzeugten Bilder offenbaren innere Fehler oder strukturelle Defekte
des Objekts. Die technische diagnostische Röntgenabbildung liefert somit
ein wertvolles Inspektionswerkzeug zur Qualitätskontrolle, um strukturelle Aspekte
eines Produkts während
der Herstellung und über
die Lebensdauer des Produkts zu bewerten. Diese Form der diagnostischen
Analyse ist gegenüber
anderen Arten der Bewertung vorteilhaft, da das Abbildungsobjekt
beim Bewertungsprozess nicht zerstört zu werden braucht. Aus diesem
Grund ist die technische diagnostische Abbildung auch als nicht-zerstörendes Untersuchen
bekannt.
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Eine
Röngtenröhre für technische
Abbildungsanwendungen umfasst typischerweise eine Elektronenkanone
mit einer Kathode, die angeregt wird, um einen Strahl von Elektronen
zu emittieren, die zu einer Anode hin beschleunigt werden. Die Anode
kann aus einer Targetoberfläche
aus Metall wie etwa Wolfram bestehen, von der Röntgenstrahlen durch das Auf treffen
der beschleunigten Elektronen erzeugt werden. Indem die Anodenoberfläche unter einem
Winkel gegenüber
der Achse des Elektronenstrahls angeordnet ist, können die
Röntgenstrahlen in
einer allgemein senkrechten Richtung zu der Elektronenstrahlachse
ausgesandt werden. Die Röntgenstrahlen
können
dann durch ein Berylliumfenster geschickt werden, das dazu verwendet
wird, um eine Vakuumabdichtung innerhalb der Röntgenröhre bereitzustellen. Danach
verlassen die Röntgenstrahlen die
Rönttenröhre auf
einem allgemein konischen Weg, wobei der Scheitel des Kegels in
etwa mit dem Leuchtfleck auf dem Target, der durch den auftreffenden
Elektronenstrahl gebildet wird, zusammenfällt.
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Das
US-Patent Nr. 4 979 199 offenbart eine Röntgenröhre mit einer Kathode, die
einen Elektronenstrahl bereitstellt, einer von der Kathode beabstandeten
Anode und einer Targetoberfläche,
die unter einem bestimmten Winkel gegenüber einer Symmetrieachse der
Röhre angeordnet
ist, und einem Aperturgitter, das zwischen der Kathode und der Anode
angeorndet ist und das eine mittlere Öffnung aufweist, die es den
durch die Kathode erzeugten Elektronen ermöglicht, hindurch zu treten
und auf einer Oberfläche
der Anode aufzutreffen, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden,
die durch das Fenster nach außen
geführt
werden.
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Der
Betrag der von einer Röntgenröhre gelieferten
Vergrößerung hängt zum
Teil von der Leuchtfleckgröße ab, die
manchmal als Abbildungsleuchtfleckgröße bezeichnet wird. Eine kleinere
Leuchtfleckgröße ermöglicht typischerweise
eine stärkere Vergrößerung,
während
eine gewünschte
Bildschärfe aufrecht
erhalten wird, bedeckt jedoch einen kleineren Bereich des Abbildungsobjekts.
Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass das abzubildenden Objekt
bezüglich
der Position des fotografischen Films oder anderer Röntgenstrahlen-Bildaufnahmemitteln
näher an
der Röntgenquelle,
d. h. dem Röntgenabbildungsleuchtfleck,
angeordnet wird. Umgekehrt kann eine größere Leuchtfleckgröße einen
größeren Bereich
des Abbildungsobjekts abbilden, jedoch typischerweise mit einem
geringeren Vergrößerungslevel.
Im Gegensatz zu der kleineren Leuchtfleckgröße ist in diesem Fall die Fläche des
Elektronenstrahlaufpralls auf dem Target größer. Daher kan ein Elektronenstrahl
mit einer höheren
Spannung, einem höheren
Strom oder einer höheren
Spannung und einem höheren
Strom verwendet werden, ohne das Target thermisch überzubelasten.
Herkömmliche Röntgenröhren sind
typischerweise darauf beschränkt,
entweder eine einzige Leuchtfleckgröße, oder in manchen Fällen zwei
diskrete Leuchtfleckgrößen bereitzustellen.
Um zwei unterschiedliche Leuchtfleckgrößen bereitzustellen, weisen
die Röntgenröhren zwei
unterschiedliche Kathodenfilamente auf, die abwechselnd mit Energie
gespeist werden, um Elektronenstrahlen unterschiedlicher Durchmesser
zu liefern. Eine Bedienungsperson einer Röntgenröhre wählt je nach dem gewünschten
Vergrößerungsniveau
und der gewünschten
Größe des Abbildungsobjekts
eines der Kathodenfilamente aus. Ein Nachteil solcher Systeme besteht
darin, dass die Leuchtfleckgröße der Röntgenröhre nicht
für einen bestimmten
Abbildungsvorgang optimiert werden kann.
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Bei
herkömmlichen
Röntgenröhren besteht ein
weiterer Ansatz zur Reduzierung der effektiven Leuchtfleckgröße darin,
die Anodenoberfläche
in einem Winkel gegenüber
der Strahlachse zu positionieren, der flacher als 45° ist, wobei
der Röntgenstrahlen-Austrittskegel
weiter um 90° gegenüber der Strahlachse
orientiert bleibt. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass
der flache Anodenwinkel die Leistungsdichte auf der Anode absenkt,
was, wenn es übermäßig geschieht,
ein unerwünschtes
Schmelzen und Verdampfen des Wolfram-Targetmaterials bewirken kann.
Um den flachen Anodenwinkel geometrisch zu kompensieren, ist darüber hinaus
die Elektronenkanone so konfiguriert, dass ein elliptischer Elektronenstrahl
bereitgestellt wird, so dass der Röntgenstrahlenleuchtfleck einen
kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Dieses Fehlen einer axialen Symmetrie der Elek tronenkanone
kann Kosten und Schwierigkeiten bei der Fertigung der Röntgenröhre bewirken.
Außerdem
ist der Elektronenstrahlleuchtfleck selten elliptisch, und der resultierende
Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck
ist normalerweise formverzerrt, weist Unregelmäßigkeiten in der Intensität auf und
ist nicht-linear, was zu Röngtgenbildern minderer
Qualität
führt.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
eine Röntgenröhre bereitzustellen,
die eine Leuchtfleckgröße aufweist,
die über
einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist, um eine
höhere
Flexibilität
bei den Abbildungsvorgängen
zu ermöglichen.
Es wäre darüber hinaus
wünschenswert,
eine Röntgenröhre bereitzustellen,
die in einer axial symmetrischen Geometrie aufgebaut ist, um die
Herstellung zu vereinfachen und die Symmetrie und Intensität des Röntgenleuchtfleckes
zu verbessern. Ein weiterer wünschenswerter
Vorteil besteht darin, dass die Leuchtfleckgröße und Röntgenstrahlenintensität verändert werden
kann, ohne das Objekt neu zu positionieren. Es wäre auch wünschenswert, eine Röntgenröhre bereitzustellen,
die einen kreisförmigen
Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck
mit gleichmäßigerer Intensität für Röntgenbilder
mit einer verbesserten Qualität
bereitstellt.
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Schließlich wäre es vorteilhaft,
wenn es möglich
wäre, den
Auftreffpunkt des Elektronenstrahles auf der Targetoberfläche zu verschieben,
um eine Überbeanspruchung,
d. h. Schmelzen und Verdampfen der Targetoberfläche zu vermeiden, ohne die Form
des Elektronenstrahls zu verzerren, so dass die Leistungsdichte
des Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleckes
nicht verschlechtert wird.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist,
erzeugt eine Röntgenröhre eine
kontinuierlich einstellbare Leuchtfleckgröße über einen gegebenen Bereich. Durch
die kontinuierlich einstellbare Leuchtfleckgröße kann eine Bedienungsperson
eine optimale Leuchtfleckgröße und Intensität zur Abbildung
eines bestimmten Abbildungsobjektes auswählen. Darüber hinaus weist die Röntgenröhre eine
axiale Symmetrie auf, was zu einer einfacheren mechanischen Herstellung
und einem Röntgenabbildungsleuchtfleck
mit einer im wesentlichen gleichmäßigeren Intensität und kreisförmigem Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck
für Röntgenbilder
mit verbesserter Qualität führt.
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Die
Röntgenröhre umfasst
insbesondere eine Kathode mit einer Elektronen emittierenden Oberfläche, die
einen Elektronenstrahl liefert, der sich entlang einer Symmetrieachse
der Elektronen emittierenden Oberfläche ausbreitet. Eine Anode
ist von der Kathode beabstandet und weist eine Targetoberfläche auf,
die unter einem Winkel von 157,5° bezüglich der
Symmetrieachse angeordnet ist. Die Targetoberfläche liefert Röntgenstrahlen
als Antwort auf das Auftreffen des Elektronenstrahls darauf. Die Röntgenstrahlen
sind von einem Röntgenabbildungsleuchtfleck
auf dem Röntgentarget
nach außen von
der Röntgenröhre gerichtet.
Ein Aperturgitter ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet und
weist eine zentrale Öffnung
auf, die es dem Elektronenstrahl ermöglicht, hindurchzutreten. An
das Aperturgitter ist eine variable Spannung bezüglich der Kathode angelegt,
die dazu verwendet wird, den Durchmesser des Elektronenstrahls zu
steuern. Insbesondere variiert der Elektronenstrahldurchmesser entsprechend
der variablen Spannung, und eine selektive Veränderung des Elektronenstrahldurchmessers
führt zu
einer entsprechenden Veränderung
der Größe des Röntgenstrahlabbildungsleuchtfleckes.
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Die
Röntgenröhre gemäß der Erfindung
ist ferner ausgelegt, um eine Position eines Elektronenstrahls bezüglich der
Symmetrieachse zu verändern, um
somit einen Auftreffleuchtfleck des Elektronenstrahls auf der Targetoberfläche zu verändern. Innerhalb
der Anode ist wenigstens ein Polstück in einer Richtung senkrecht
zu der Symmetrieachse angeordnet. Ein Magnetfeld ist so an das Polstück angelegt,
dass das Magnetfeld den Elektronenstrahl durchquert. Auf diese weise
wird der Elektronenstrahl dazu veranlasst, auf einen separaten Leuchtfleck
auf der Targetoberfläche
aufzutreffen, um die schädlichen
Effekte der thermischen Spannung auf der Targetoberfläche zu verteilen.
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der Röntgenröhre mit
veränderlichem
Leuchtfleck, sowie die Erkenntnis ihrer weiteren Vorteile und Ziele
wird dem Fachmann auf dem Gebiet durch eine Betrachtung der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform möglich sein.
Es wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungsseiten, wie
zuerst kurz beschrieben sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Längsquerschnitt
einer Elektronenkanone für
eine Röntgenröhre der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Kennlinie einer
Computer-simulierten Approximation der Leistungsfähigkeit
einer Röntgenröhre zur
Veränderung
der Größe des Abbildungsleuchtfleckes
des Elektronenstrahls als Funktion der Aperturgitterspannung;
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3 ist eine Rückansicht
einer Ausführungsform
einer Anode der Elektronenkanone mit einem einachsigen magnetischen
Polstück
zur Änderung
der Position des Elektronenstrahls;
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4 ist eine Rückansicht
einer Ausführungsform
einer Anode der Elektronenkanone mit einem zweiachsigen magnetischen
Polstück
zur Änderung
der Position des Elektronenstrahls;
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5 ist ein Längsquerschnitt
einer alternativen Ausführungsform
einer Kathodenanordnung der Elektronenkanone;
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6 ist eine schematische
Ansicht eines Röntgenstrahlenausgangskegels,
der von einer Doppelfilament-Kathode des Standes der Technik bereitgestellt
wird;
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7 ist eine schematische
Ansicht eines Röntgenstrahlenausgangskegels,
der von einer Kathode mit veränderlichem
Leuchtfleck der Erfindung bereitgestellt wird;
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8 veranschaulicht die geometrische
Beziehung zwischen dem Röntgenstrahlenausgangskegel
und dem Anodentargetwinkel für
die Röntgenröhre des
Standes der Technik;
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9 veranschaulicht die geometrische
Beziehung zwischen dem Röntgenstrahlenausgangskegel
und dem Anodentargetwinkel gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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10 ist ein Seitenquerschnitt
einer Ausführungsform
der Elektronenkanone gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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11 ist ein Seitenquerschnitt
einer Ausführungsform
der Röntgenröhre der
vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Beschreibung befriedigt das Bedürfnis nach einer Röntgenröhre, die
eine Leuchtfleckgröße aufweist,
die über
einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist, um eine
größere Flexibilität bei den
Abbildungsvorgängen
zu ermöglichen.
In der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung ist zu beachten, dass gleiche Bezugszahlen verwendet
werden, um gleiche, in einer Figur oder in mehreren Figuren dargestellte
Elemente zu beschreiben.
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Unter
Bezugnahme auf 1, ist
eine erste Ausführungsform
einer Elektronenkanone zur Verwendung in einer Röntgenröhre dargestellt. Die Elektronenkanone
umfasst eine Kathodenanordnung mit einem Elektronenemitter 12.
Der Emitter 12 kann aus einem spiralförmig aufgewickelten Filamentdraht
bestehen, der aus thoriertem Wolfram oder anderen, ähnlichen
Elektronen aussendenden Materialien bestehen und ist so angeordnet,
dass er einen allgemein kreisförmigen
oder symmetrischen Raum einnimmt. Der Filamentdraht kann einen allgemein
flachen Querschnitt des Typs aufweisen, der allgemein als "Pfannkuchen" bezeichnet wird.
Eine Randelektrode 16, die eine ringförmige Form aufweist, ist konzentrisch
um den und in einem Abstand von dem Emitter 12 angeordnet,
und eine ringförmige
Fokussierelektrode 22 ist konzentrisch um die und in einem Abstand
von der Randelektrode angeordnet.
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Ein
Aperturgitter 18 ist konzentrisch zwischen der Randelektrode 16 und
der Fokussierelektrode 22 angeordnet. Das Aperturgitter 18 ist
ebenfalls ringförmig
und weist eine zentrale Öffnung
auf, durch die der Emitter 12 offenliegt. Wie in 1 gezeigt ist, weist das
Aperturgitter 18 eine flache Oberfläche auf, die in einer zum Emitter 12 parallelen
Ebene liegt. Der Emitter 12, die Randelektrode 16 und
die Fokussierelektrode 22 sind üblicherweise mit dem gleichen
negativen elektrischen Potential verbunden, und das Aperturgitter 18 ist
mit einer bezüglich
diesen Kathodenelementen variablen positiven oder negativen Spannungsquelle
verbunden. Darüber
hinaus sind der Emitter 12, die Randelektrode 16,
das Aperturgitter 18 und die Fokussierelektrode 22 jeweils
symmetrisch um eine gemeinsame Achse 15 angeordnet.
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Eine
Anodenanordnung befindet sich in einem Abstand von der Kathodenanordnung.
Die Anodenanordnung umfasst ein ringförmiges Teil 32 und ein
Targetteil 36. Das ringförmige Teil 32 weist
eine Öffnung 34 auf,
die sich entlang der Achse 15 erstreckt. Das Targetteil 36 weist
eine Targetoberfläche 38 auf,
die in einem stumpfen Winkel bezüglich der Achse 15 angeordnet
ist, und die nicht symmetrisch bezüglich der Achse ist. Die Targetoberfläche 38 besteht
auf einem Röntgenstrahlen
aussendenden Material wie Wolfram. Eine kegelförmige Öffnung ist zwischen dem ringförmigen Teil 32 und
dem Targetteil 38 angeordnet, die für in der Vorrichtung erzeugte
Röntgenstrahlen
eine Austrittsöffnung
bereitstellt, wie nachstehend weiter ausgeführt ist. Ein Fenster 42 überquert
die kegelförmige Öffnung,
um innerhalb der Vorrichtung ein Vakuum aufrecht zu erhalten. Das Fenster 42 kann
aus Beryllium oder ähnlichen
Materialien bestehen, die so gewählt
sind, dass dadurch die Transmission von Röntgenstrahlen möglich ist.
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In
Betrieb wird ein elektrischer Strom in den Emitter 12 gepeist,
der bewirkt, dass sich seine Temperatur auf ein Niveau erhöht, das
ausreichend ist, das Auftreten von thermischer Emission von Elektronen
zu ermöglichen.
Eine hohe negative Spannung wie etwa –160 kV bezüglich der Anodenanordnung ist
an die Kathodenanordnung angelegt, so dass ein Elektronenstrahl
von dem Emitter 12 in Richtung der Anodenanordnung gezogen
wird. Umgekehrt kann die Kathodenanordnung geerdet sein und eine
hohe positive Spannung, z. B. +160 kV, kann an die Anodenanordnung
angelegt sein. Wie in Fachkreisen bekannt, hängt der Strom des Elektronenstrahls
von der Temperatur des Emitters 12 ab, wenn er im Temperaturgrenzbereich
betrieben wird. Die Form der Randelektrode 16 und der Fokussierungselektrode 22 ist
so gewählt,
dass sie derart ein Muster von Äquipotentiallinien
in dem Zwischenelektrodenraum zwischen der Kathodenanordnung und
der Anodenanordnung definieren, dass der Elektronenstrahl allgemein
fokussiert und in Richtung der Targetoberfläche 38 gerichtet wird.
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Eine äußere Einhüllende 17 des
Elektronenstrahls ist in 1 dargestellt.
Der Elektronenstrahl tritt durch die Öffnung 34 des ringförmigen Teils
der Anode 32 und trifft auf die Targetoberfläche 38,
um Röntgenstrahlen 33 zu
er zeugen. Die Röntgenstrahlen 33 treten
in einem allgemein kegelförmigen
Weg durch die zwischen der ringförmigen Öffnung 32 und dem
Targetteil 36 der Anodenanordnung angeordnete Öffnung aus.
Die Röntgenstrahlen 33 treten
durch das Fenster 42, um in einem vorbestimmten Abstand hinter
der Vorrichtung einen Abbildungsleuchtfleck zu bilden. Die an das
Aperturgitter 18 angelegte Spannung bewirkt, dass der Elektronenstrahl
in dem Moment divergiert oder sich verengt, in dem der Elektronenstrahl
den Emitter 12 verlässt.
Nach dem Passieren des Aperturgitters 18 weitet sich der
Elektronenstrahl auf eine allgemein divergierende Bahn auf, von wo
aus er nachfolgend durch die Form der elektrostatischen Felder zwischen
dem Aperturgitte 18 und der Anodenanordnung in einen Kegel
fokussiert wird.
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Als
spezielles Beispiel zeigt 2 eine
von einer computersimulierten Approximation der variablen Abbildungssteuerung
der Röntgenröhre abgeleitete
Kennlinie. Die Kennlinie zeigt eine grafische Darstellung des Strahlradius
in Millimeter (y-Achse) als Funktion der Aperturgitterspannung (x-Achse),
wobei der Strahlradius als der Radius definiert ist, der 63,2 Prozent
des Elektronenstrahls einschließt.
wenn angenommen wird, dass +160 kV an die Anodenbaugruppe angelegt
worden sind, so zeigt der Graph, dass eine Minimierung der Leuchtfleckgröße auf dem Target
eintritt, wenn die Aperturgitterspannung auf ungefähr +990
V bezüglich
der Kathodenanordnung bei 0 V eingestellt ist. Folglich kann der
Durchmesser des Elektronenstrahls im Auftreffpunkt auf der Targetoberfläche 38 dadurch
verändert
werden, dass die an das Aperturgitter 18 angelegte Spannung
modifiziert wird. Zum Beispiel kann die Größe des Strahls effektiv verdoppelt
werden, indem eine Spannung von +910 V, oder alternativ +1045 V
an das Aperturgitter angelegt wird.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
jeglichen Strahlstrom abzuschalten, indem eine allgemein negative
Spannung bezüglich
der Kathodenanordnung an das Aperturgitter 18 angelegt wird.
Durch Verändern
der Fokussierung des Elektronenstrahls ändert sich auch die Leuchtfleckgröße der erzeugten
Röntgenstrahlen.
Auf diese Weise nimmt die durch die Röntgenvorrichtung gelieferte
Abbildungsleuchtfleckgröße mit zunehmendem
Durchmesser des auf die Targetoberfläche 38 auftreffenden
Elektronenstrahls zu, und nimmt mit abnehmendem Durchmesser des
Elektronenstrahls ab. Die Beziehung zwischen der Form des Elektronenstrahls
und der Röntgenleuchtfleckgröße ist nachfolgend
bei der Diskussion der Geometrie der vorliegenden Vorrichtung und der
Vorrichtung des Standes der Technik beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 sind Ausführungsformen
der Elektronenkanone einer Röntgenröhre gezeigt.
Wie weiter oben bemerkt, besteht ein Nachteil herkömmlicher
Röntgenröhren darin,
dass die Leistungsdichte des auf die Anode auftreffenden Elektronenstrahls
ein unerwünschtes Schmelzen
und Verdampfen des Wolframmaterials verursachen kann. Ein Weg zur
Vermeidung der Überbeanspruchung
der Targetoberfläche
besteht darin, den Auftreffpunkt des Elektronenstrahls an unterschiedliche
Orte zu bewegen. Dies muss erreicht werden, ohne die Form des Elektronenstrahls
zu verzerren, so dass die Leistungsdichte des Röntgenstrahlabbildungsflecks
nicht herabgesetzt wird.
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Insbesondere
veranschaulicht 3 den ringförmigen Teil 32 der
Anodenanordnung im Querschnitt. Ein Polstück, das einen ersten und einen zweiten
Abschnitt 51, 52 aufweist, erstreckt sich in einer
radialen Richtung in das ringförmige
Teil 32 der Anodenanordnung. Die Polstückabschnitte 51, 52 erstrecken
sich nicht ganz bis zu der Öffnung 34,
sondern enden vor Erreichen der Öffnung,
um zu gewährleisten,
dass die Vakuumhülle
der Röntgenröhre nicht
durch die Einführung
der Polstückabschnitte beeinträchtigt ist.
Die Polstückabschnitte 51, 52 sind außerdem mit
einem magnetischen Rückflussbügel 56 gekoppelt,
mit der eine Induktionsspule 50 verbunden ist. Die Einspeisung
eines elek trischen Stromes in die Induktionsspule 50 erzeugt
ein Magnetfeld B, das die Öffnung 34 halbiert
und sich senkrecht zu der zentralen Achse 15 der Elektronenkanone
erstreckt. Durch Verändern
des Betrages des in die Induktionsspule 50 eingespeisten
elektrischen Stromes kann der Betrag des Magnetfeldes B geändert werden.
Das Magnetfeld B lenkt den Elektronenstrahl ab, wenn er durch die Öffnung 34 gerichtet
wird, was bewirkt, dass der Elektronenstrahl an einer anderen Stelle
auf die Targetoberfläche 38 auftrifft.
Auf diese Weise kann der Elektronenstrahl periodisch neu positioniert
werden, so dass die Energie des Elektronenstrahl über eine
größere Fläche der
Targetoberfläche 38 verteilt
wird, um die thermische Beanspruchung an einem einzelnen Punkt zu
verringern. Die Ablenkung des Elektronenstrahls kann manuell durch
eine Bedienungsperson der Röntgenröhre gesteuert
werden, oder kann, alternativ dazu, bei Erfassen einer Überhitzung
der Targetoberfläche 38 automatisch
gesteuert werden.
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In ähnlicher
Weise veranschaulicht 4 eine
weitere Ausführungsform,
bei der ein Paar von gekreuzten Polstücken mit Abschnitten 51, 52, 53 und 54 verwendet
wird. Die Polstückabschnitte
sind senkrecht zueinander angeordnet und weisen jeweils (nicht gezeigte)
Induktionsspulen auf, um Magnetfelder B1 und
B2 zu liefern, die sich entlang von zwei Achsen
durch die zentrale Achse 15 erstrecken. Es versteht sich,
dass die gekreuzten Magnetfelder B1 und
B2 somit einen größeren Steuerungsbereich der Ablenkung
des Elektronenstrahls in den zwei Achsenrichtungen erlauben.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform der
Kathodenanordnung veranschaulicht. Bei dieser alternativen Ausführungsform
umfasst die Kathodenanordnung einen spiralförmig gewickelten Filamentdraht 26,
der innerhalb eines Ofenbereichs angeordnet ist, der durch eine
Haltebuchse 29 und eine thermisch isolierte Endkappe 24 gebildet
ist. Ein mittlerer Teil der Endkappe 29 stellt eine emittierende Oberfläche 14 bereit,
die aus thoriertem Wolfram oder anderen Elektronen aussendenden
Materialien besteht. Die emittierende Oberfläche 14 ist kreisförmig und
ist konzentrisch innerhalb des Aperturgitters 18 und in einem
Abstand von dem Aperturgitter 18 angeordnet. Hitzeschilde 28 können auch
innerhalb der Kathodenanordnung vorgesehen sein, um Wärme in dem Ofenbereich
zu halten und einen Wärmetransport aus
dem Ofenbereich zu verhindern.
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Um
die Kathodenanordnung zu betreiben, wird ein Spannungspotential
VH an den Filamentdraht 26 angelegt.
Wie bei der vorherigen Ausführungsform
bewirkt der durch den Filamentdraht 26 geleitete Strom
einen Anstieg von dessen Temperatur. Die durch den Filamentdraht
erzeugte Wärme
wird innerhalb des Ofenbereichs nach außen auf die Endkappe 24 und
insbesondere die emittierende Oberfläche 14 abgestrahlt
(z. B. in einem durch unterbrochene Linien in 5 dargestellten Muster). Die Wärmestrahlung
auf die emittierende Oberfläche 14 bewirkt,
dass eine thermische Emission daraus von Elektronen eintritt, und
ein Strahl von Elektronen kann von der emittierenden Oberfläche 14 abgezogen
werden, indem eine hohes negatives Spannungspotential zwischen der
Kathodenanordnung und der Anodenanordnung angelegt wird. Darüber hinaus
kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Filamentdraht 26 und
der emittierenden Oberfläche 14 angelegt
werden. In diesem Fall beschießen
Elektronen von dem Filamentdraht 26 die Rückseite
der Endkappe 24, so dass sie auf eine Temperatur erwärmt wird,
die ausreichend ist, um eine thermische Emission zu erzeugen. Diese
allgemeine Ausführungsform
ist vorteilhaft, da die emittierende Oberfläche 14 einen Elektronstrahl
liefern kann, der eine gleichbleibendere und gleichmäßige Stromdichte
und eine klarer definierte äußere Einhüllende aufweist
als ein durch direkte Emission von einem Filamentdraht erzeugter
Strahl.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Targetwinkel
gewählt,
um außerdem
eine kontinuier lich veränderliche
Leuchtfleckgröße mit einer
axialen Symmetrie zu ermöglichen. 6 veranschaulicht, in schematischer
Form, eine Röntgenröhre nach
dem Stand der Technik, die einen herkömmlichen 22,5°-Targetwinkel
zwischen einer zentralen Achse 35' des Röntgenstrahlausgangskegels und
der Targetoberfläche 36' verwendet (die
Targetoberfläche 36' ist in einem
112,5°-Winkel bezüglich einer
zentralen Achse 15' der
Röntgenröhre angeordnet).
Die herkömmliche
Röntgenröhre liefert
zwei Leuchtflecke ungleicher Größe auf dem
Target. Um dies zu erreichen, enthält die Röhre zwei Kathodenfilamente,
die als F1 und F2 gezeigt
sind, die getrennte, bezüglich
der zentralen Achse 15' nichtsymmetrische
Bereiche des Elektronenemitters belegen. Diese Filamente sind typischerweise
Drähte,
die in Form von Spiralen gewunden sind, wobei F1 im
allgemeinen länger
ist und eine größere Spiralsteigung aufweist
als F2. Angesichts der allgemeinen Ungleichheit
zwischen den Filamenten F1 und F2 und ihrer unsymmetrischen Anordnung, können die
jeweiligen Elektronenstrahlen auf unterschiedlichen Stellen auf
der Targetoberfläche 36' auftreffen,
und tun dies im allgemeinen auch. Wie oben bemerkt, sind die zwei
Filamente F1 und F2 ausgelegt,
um Strahlen unterschiedlichen Durchmessers zu erzeugen, so dass der
durch das Filament F1 erzeugte Strahl größer als der
durch das Filament F2 erzeugte Strahl ist.
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Beim
Aufprall auf die Targetoberfläche 36' erzeugen die
auftreffenden Strahlen Röntgenstrahlenaustrittskegel,
die durch das Fenster 42' hindurchtreten,
um einen Gegenstand des Interesses 60 zu beleuchten, der
eine Brennweite f' von
der Targetoberfläche
angeordnet ist. Bei jedem Strahl bilden die Röntgenstrahlenleuchtflecke mit
ungefähr
kreisförmigem
Querschnitt beim Target, betrachtet von dem beleuchteten Objekt,
die Abbildungsleuchtfleckgrößen für die Röntgenröhre. Im
allgemeinen erzeugt der Strahl von dem längeren Filament F1 eine
größere Leuchtfleckgröße von höherem Strom
auf dem Target, während
das kürzere
Filament F2 eine kleinere Leuchtfleckgröße von niedrigerem
Strom auf dem Target erzeugt. Durch Platzieren des Films oder anderer
Röntgenbildspeichermittel 37' in einer Entfernung
g' von dem Bildlichtfleck
ergibt sich ein vergrößertes Röntgenbild.
Bei der herkömmlichen
Röntgenröhre beträgt die Brennweite
f' höchstwahrscheinlicher
weniger als oder gleich 6 Inches, um eine ausreichende Intensität zu erlauben.
Eine zentrale Achse 35' des
Röntgenstrahlenausgangskegels bildet
einen 90°-Winkel
zur zentralen Achse 15' der Röntgenröhre. Folglich
emittiert die Röntgenröhre einen
Abbildungsleuchtfleck in einer allgemein senkrechten Richtung von
der Achse der Röntgenröhre. Der
typische Kegelwinkel bei Röhren
dieses Typs beträgt
typischerweise 40°,
wie es in 6 gezeigt
ist.
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7 veranschaulicht einen
Targetwinkel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Anders als bei den herkömmlichen
Röntgenröhren ist
die Targetoberfläche 36 in
einem 157,5°-Winkel
bezüglich
der zentralen Achse 15 der Röntgenröhre angeordnet. Bei dem größeren Targetwinkel
bildet die zentrale Achse 35 des Röntgenstrahlenausgangskegels
einen 135°-Winkel
mit der zentralen Achse der Röntegenröhre. Da
der Elektronenstrahl axial symmetrisch um die zentrale Achse 15 ist,
weist der Röntgenstrahlenausgangskegel
gleichermaßen
eine symmetrische Intensität
auf, um ein Abbildungsobjekt 60 in einer Brennweite f von
der Targetoberfläche
zu beleuchten. Mit der Röhre
der vorliegenden Erfindung kann man eine größere Vergrößerung als mit der herkömmlichen
Röntgenröhre erhalten,
da das Objekt näher,
zum Beispiel bis zu 1,2 Inches, an dem Abbildungsbrennpunkt angeordnet
werden kann. Es sollte klar sein, dass die vergrößerte Targetfläche der
vorliegenden Erfindung, auf die der Elektronenstrahl auftrifft,
auch in einer geringeren Erwärmung
pro Einheitsfläche
der Targetoberfläche 36 führt. Darüber hinaus
verringert eine Anordnung des Objekts näher an dem Abbildungslichtfleck die
für einen
Grad der Vergrößerung und
Bildhelligkeit erforderliche Intensität. Der Kegelwinkel bei einer Röntgenröhre dieser
Erfindung, wie sie in 7 gezeigt
ist, beträgt
typischerweise 40°,
wie der der herkömmlichen
Röntgenröhre.
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In 8 sind die geometrischen
Verhältnisse
zwischen dem erscheinenden Bildleuchtfleck und dem auf das Target
auftreffenden Elektronenstrahl für die
Röntgenröhre des
Standes der Technik veranschaulicht. Ein Elektronenstrahl e, der
eine Länge
in Richtung der Filamentkathoden d1' aufweist, wird auf eine
Targetoberfläche 36' projiziert,
die in einem Winkel aa' bezüglich der
Achse des austretenden Röntgenstrahls
angeordnet ist. Der Strahl von Röntgenstrahlen
hat eine scheinbare Leuchtflecklänge
d2' von d1'tan
aa', und die Breite
des Auftreffbereichs d3' der Targetoberfläche 36 beträgt d2'/sin
aa'. Daher ist die scheinbare
Leuchtfleckgröße des Röntgenstrahls kleiner
als der einfallende Elektronenstrahl, wenn der Anodentargetwinkel
aa' kleiner als
45° ist.
Für den Fall,
dass bei der herkömmlichen
Vorrichtung ein Targetwinkels von aa' = 22,5° verwendet wird, ist der reflektierte
Strahl um 41% kleiner als die einfallende Strahllänge. In
der Richtung parallel zu den spiralförmigen Filamentwindungen F1 und F1 existiert
keine Verringerung der scheinbaren Größe der Röntgenstrahlleuchtfleckgröße gegenüber der
Größe des Elektronenstrahls,
der auf die Targetoberfläche
auftrifft, da die Targetoberfläche
nicht in diese Richtung geneigt ist. Für eine gegebene Leuchtflecklänge der scheinbaren
Röntgenstrahlgröße d1' ist
ersichtlich, dass eine Neigung des Targets um einen Winkel in Mittel
zur Verringerung der Elektronenstrahl-Leistungsdichte auf der Targetoberfläche für eine gegebene
Röntgenstrahlleuchtfleckgröße ist.
Für aa' = 22,5° ist die
Länge der
Targetoberfläche,
auf die der Strahl auftrifft, 2,6 mal so lang wie die Länge der scheinbaren
Röntgenstrahlleuchtfleckgröße.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 9 die
geometrischen Verhältnisse
zwischen dem Röntgenstrahlausgangskegel
und dem Anodentargetwinkel für
die Röntgenröhre der
vorliegenden Erfindung. Wie oben beschrieben weist die Röntgenröhre der
vorliegenden Erfindung einen Anodentargetwinkel aa von 22,5° bezüglich der
Röntgenkegelachse
auf, und ein Röntgenstrahlwinkel
von 135° bezüglich dem
Winkel der Achse des einfallenden Elektronenstrahls. Demzufolge
beträgt
die Größe der Targetoberfläche, auf die
der Elektronenstrahl e auftrifft, d3, d2/sin aa. Da der Winkel des Elektronenstrahleinfalls
gleich dem Winkel des ausgehenden Röntgenstrahls ist, folgt, dass
d2 gleich d1 ist.
Daher ist bei der Röhre
der vorliegenden Erfindung für
aa = 22,5° die
Länge des
Targets, auf die der Strahl auftrifft 2,6 mal länger als die Länge der
scheinbaren Röntgenstrahlleuchtfleckgröße.
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Unter
Bezugsnahme auf 10 und 11, ist eine Ausführungsform
einer Röntgenröhre, die
gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, dargestellt. 10 veranschaulicht eine
vergrößerte Ansicht
der Kathodenanordnung der Röntgenröhre. Wie
bei der Ausführungsform
der 5 umfasst die Kathodenanordnung
einen spiralförmig aufgewickelten
Filamentdraht 112, der innerhalb des Ofenbereichs angeordnet
ist, der durch die Schalenhälften 108, 114 gebildet
ist, die mit gegenüberliegenden
Seiten eines Halterings 113 gekoppelt sind. Die nach vorn
weisende der Schalenhälften 114 stellt eine
kreisförmige
emittierende Oberfläche
bereit, die aus thoriertem Wolfram oder einem anderen Satz von Elektronen
emittierenden Materialien besteht. Eine ringförmige Randelektrode 116 ist
konzentrisch um die emittierende und in einem Abstand von der emittierenden
Oberfläche
angeordnet, und eine ringförmige
Fokussierungselektrode 142 ist konzentrisch um die und
in einem Abstand von der Randelektrode angeordnet. Die Fokussierungselektrode 142 weist eine
konvexe, kuppelförmige äußere Oberfläche 144 und
eine Bohrung 146 mit konstantem Durchmesser auf, die sich
konzentrisch mit der zentralen Achse der emittierenden Oberfläche erstreckt.
Ein Gehäuse 122 umschließt im wesentlichen
den äußeren Abschnitt
der Kathodenanordnung.
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Ein
Aperturgitter 118 ist konzentrisch zwischen der Randelektrode 116 und
der Fokussierungselektrode 142 angeordnet. Das Aperturgitter 118 ist
ebenfalls ringförmig
und weist eine zentrale Öffnung
auf, durch die die emittierende Oberfläche 114 offenliegen.
Die emittierende Oberfläche 114,
die Randelektrode 116 und die Fokussierungselektrode 142 liegen
im allgemeinen auf dem gleichen negativen elektrischen Potential,
und das Aperturgitter 118 ist mit einer Spannung gekoppelt,
die positiv, negativ oder gleich wie die der anderen Kathodenelemente ist.
Wie bei der Ausführungsform
der 1 verändert die
Spannung an dem Aperturgitter 118 die Fokuscharakteristik
der Kathodenanordnung, um den Durchmesser des bei der emittierenden
Oberfläche 114 erzeugten
Elektronenstrahls zu ändern.
Eine elektrische Zuführung 132 ist
mit einem Ende des Filamentdrahtes 112 gekoppelt, wobei
das andere Ende des Filamentdrahtes mit einer leitenden Halteplatte 124 der
Kathodenanordnung verbunden ist. Ein zylindrischer Isolator 136 trennt
die restliche Kathodenanordnung von der Stelle, wo die elektrische Zuführungs 132 mit
dem Filamentdraht 112 verbunden ist. Ein Spannungspotential
VH, das an den Filamentdraht 112 angelegt ist, erzeugt
eine Erwärmung der
Emitteroberfläche 114,
so dass eine thermische Emission von Elektronen von der emittierenden Oberfläche 114 möglich ist.
Ein Anlegen einer hohen negativen Spannung zwischen der Kathodenanordnung
und der Anodenanordnung erzeugt einen allgemein kreisförmigen Elektronenstrahl
in der Ebene des Targets. Eine separate elektrische Zuführung 134 liefert
eine Spannung an das Aperturgitter 118. Ein separater zylindrischer
Isolator 138 trennt elektrisch die elektrische Zuführung 134 zu
dem Aperturgitter 118 von der restlichen Kathodenanordnung.
Ein Isolatorring 140 sorgt für eine weitere elektrische Trennung
zwischen dem Aperturgitter 118 und der restlichen Kathodenanordnung.
Zylindrische Isolatoren 136, 138 und der Isolatorring 140 können aus
einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material wie
Aluminiumoxidkeramik bestehen.
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11 ist eine Ansicht im Längsschnitt
der gesamten Röntgenröhre. Die
Kathodenanordnung (beschrieben oben mit Bezug auf 10) erstreckt sich von einer Isoliersäule 152,
die axial in der Röntgenröhre angeordnet
ist. Ein externes Gehäuse 154 ist
radial nach außen
von der Kathodenanordnung angeordnet und koppelt das abgewandte
Ende der Röntgenröhre, das
eine Anodenanordnung enthält, mit
dem zugewandten Ende der Röntgenröhre, das das
Anbringen der Vorrichtung an eine (nicht gezeigte) weitere Struktur
ermöglicht.
Der ringförmige
Abschnitt 152 umfasst eine Öffnung 154, die sich
entlang der zentralen Achse der Kathodenanordnung erstreckt. Der
Targetabschnitt 156 umfasst eine Targetoberfläche 158,
die in einem Winkel von 157,5° bezüglich der
zentralen Achse angeordnet ist, und die bezüglich der zentralen Achse nicht
symmetrisch ist. Die Targetoberfläche 158 besteht aus
einem Röntgenstrahlen
emittierenden Material wie Wolfram. Eine kegelförmige Öffnung 164, die eine
Austrittsdurchführung
für in
der Vorrichtung erzeugte Röntgenstrahlen
bereitstellt, ist zwischen dem ringförmigen Abschnitt 152 und
dem Targetabschnitt 156 vorgesehen. Ein Fenster 162 überquert
die kegelförmige Öffnung 164,
um ein Vakuum in der Vorrichtung zu halten. Das Fenster 162 kann
aus Beryllium oder ähnlichen
Materialien bestehen, die gewählt
sind, um die Transmission durch sie von Röntgenstrahlen zu ermögliche.
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Wie
oben beschrieben ist eine hohe negative Spannung bezüglich der
Anodenanordnung an die Kathodenanordnung angelegt, um einen Strahl
von Elektronen von der emittierenden Oberfläche 114 zur Anodenanordnung
zu ziehen. Der Elektronenstrahl tritt durch die Öffnung 154 des ringförmigen Abschnitts
der Anode 152 und trifft auf die Targetoberfläche 158,
um Röntgenstrahlen
zu erzeugen. Die Röntgenstrahlen
werden auf einer allgemein kegelförmigen Bahn durch das Fenster 162 ausgesendet, um
einen Abbildungsleuchtfleck auf dem Target zu erzeugen. Die an das
Aperturgitter 118 angelegte Spannung bewirkt, dass der
Elektronenstrahl leicht divergiert oder sich leicht verengt, wenn
der Elektronenstrahl die emittierende Oberfläche 114 verlässt. Demzufolge
kann der Durchmesser des Elektronenstrahls dadurch gesteuert werden,
dass die Spannung des Aperturgitters geändert wird, um den Durchmesser
des Strahls im Auftreffpunkt auf die Targetoberfläche 158 zu
verändern.
Durch Verändern
der Fokussierung des Elektronenstrahls nimmt die durch die Röntgenvorrichtung
gelieferte Abbildungsleuchtfleckgröße mit zunehmendem Durchmesser
des auf die Targetoberfläche 158 auftreffenden
Elektronenstrahls zu, und nimmt mit abnehmendem Durchmesser des
Elektronenstrahls ab.
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Nachdem
eine bevorzugte Ausführungsform eines
Röntgenröhre mit
veränderlicher
Abbildungspunktgröße beschrieben
wurde, sollte es für
den Durchschnittsfachmann klar sein, dass bestimmte Vorteile des
Systems erreicht worden sind. Es sollte ebenfalls klar sein, dass
verschiedene Modifikationen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen
davon innerhalb des Umfangs und des Geistes der vorliegenden Erfindung
gemacht werden können. Die
Erfindung wird ferner durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.