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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer
Kathode und mit einem Strahlenaustrittsfenster.
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Röntgenröhren dienen
der Erzeugung von Röntgenstrahlen.
Innerhalb einer Röntgenröhre werden
Elektronen von einer Kathode durch ein elektrisches Feld auf eine
Anode beschleunigt. Die auf der Anode auftreffenden elektrischen
Elektronen werden von dieser absorbiert und verlieren dabei ihre
kinetische Energie. Die kinetische Energie der Elektronen wird zum
einen in Röntgenstrahlung
umgewandelt, zum anderen in Wärme,
die durch die Anode aufgenommen wird.
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Die
Außenhaut
der Röntgenröhre, meist
ein vakuumdichter Glaskörper,
weist ein Strahlenaustrittsfenster auf, das die Röntgenstrahlung
möglichst verlustfrei
passieren kann. Das Strahlenaustrittsfenster ist im Vergleich zur
sonstigen Außenhülle der Röntgenröhre verhältnismäßig empfindlich
gegenüber
thermischer und mechanischer Belastung. Es ist daher so klein wie
möglich
gehalten und befindet sich genau in der vorbestimmten Richtung des
Röntgenstrahls.
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Da
die thermische Belastung der Anode durch auftreffende Elektronen
ausgesprochen hoch ist, wird die Belastung dadurch verteilt, dass
der Elektronenstrahl über
die Anode hinwegstreicht anstatt immer am selben Punkt aufzutreffen.
Dies kann entweder durch eine Rotation der Anode oder durch eine Rotation
der gesamten Röntgenröhre bei
gleichzeitiger Ablenkung des Elektronenstrahls durch magnetische
Ablenkfelder in einer sogenannten Drehkolbenröhre bewirkt werden. Außerdem sind
zur Fokussierung des Elektronenstrahls ebenfalls magnetische bzw.
elektromagnetische Felder vorgesehen.
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Die
Ablenkung des Elektronenstrahls hängt zum einen von der Stärke der
magnetischen Felder ab. Zum anderen wird sie durch die kinetische
Energie der Elektronen beeinflusst, die durch die Röntgenspannung
zwischen der Anode und der Kathode der Röntgenröhre vorgegeben ist. Die magnetischen Felder
zur Beeinflussung des Elektronenstrahls werden durch elektrische
Spulen erzeugt, deren Feldstärke
in Abhängigkeit
von der Röntgenspannung
variiert wird. Die korrekte Steuerung des Ablenkspulenstroms zur
Einstellung der Richtung des Elektronenstrahls ist im stabilen Normalbetrieb
der Röntgenröhre problemlos
möglich.
Im Normalbetrieb wird im wesentlichen die Röntgenspannung gemessen und
in Abhängigkeit
von dem gemessenen Wert unter Verwendung einer Kennlinie der Strom
für die
elektrischen Spulen eingestellt.
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Probleme
mit der Einstellung der Richtung des Elektronenstrahls ergeben sich
jedoch bei unvorhersehbaren Schwankungen der Röntgenspannung oder beim schnellen
Ansteigen oder Abfallen der Röntgenspannung
z.B. bei Überschlägen zwischen Kathode
und Anode oder beim Starten oder Abschalten der Röntgenröhre. In
solchen Situationen kann es dazu kommen, dass der Strom der Strom
für die
elektrischen Spulen nicht ausreichend schnell geändert werden kann, oder dass
die Messung der Röntgenspannung
nicht ausreichend schnell ist, um in der Ablenkung des Elektronenstrahls
die Veränderungen der
Röntgenspannung
zu kompensieren. Dies kann dazu führen, dass der Elektronenstrahl
nicht an der gewünschten
Stelle auf die Anode auftrifft, sondern eine unvorhersehbare Richtung
einnimmt, die auch zum Beschuss der Außenhaut der Röntgenröhre oder
des Strahlenaustrittsfenster führen
kann.
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Während ein
Elektronenbeschuss der verhältnismäßig stabilen
Außenhaut
der Röntgenröhre im allgemeinen
ohne weiteres tolerierbar ist, kann der Beschuss insbesondere des
Strahlenaustrittsfensters zu Beschädigungen führen.
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Um
dieses Problem zu verringern, ist es unter anderem bekannt, die
Störfestigkeit
der Steuerung des Ablenkspulenstroms zur Einstellung der Richtung
des Elektronenstrahls zu erhöhen.
Außerdem
können
spezielle Programme zur Regelung des Ablenkspulenstroms beim Starten
und Abschalten der Röntgenröhre vorgesehen
sein. Durch diese Maßnahmen
wird jedoch lediglich eine Verringerung der Gefährdung des Strahlenaustrittsfensters
erreicht, das Problem jedoch nicht an sich gelöst.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einem Strahlenaustrittsfenster
anzugeben, bei der ein wirksamer Schutz gegen Beschädigung des
Strahlenaustrittsfensters durch Elektronenbeschuss von der Kathode
gegeben ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einem Strahlenaustrittsfenster
anzugeben, bei der eine Blende zum Schutz des Strahlenaustrittsfensters
vorgesehen ist, die einen Elektronenstrahl, der von der Kathode
der Röntgenröhre zum
Strahlenaustrittsfenster laufen würde, blockiert. Dadurch wird
verhindert, dass das Strahlenaustrittsfenster durch Elektronen beschossen
und beschädigt
werden kann. Gleichzeitig ist die Blende als mechanisches Teil einfach
zu realisieren, ohne dass z.B. eine zusätzliche Steuerelektronik vorgesehen
werden müsste.
Darüber
hinaus gewährleistet
die Blende einen Schutz, der auch bei plötzlich oder nur kurzfristig
auftretenden Störungen
uneingeschränkt
wirksam ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Blende so
beschaffen, dass sie Elektronen absorbieren kann. Die Absorption
von Elektronen stellt eine einfache Möglichkeit dar, deren Weg zum
Strahlenaustrittsfenster zu blockie ren. Es genügt dazu, die Blende aus einem
zur Absorption geeigneten Material von ausreichender Materialstärke zu fertigen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Blende eine ausreichend große
Wärmekapazität auf, um
zumindest für
eine gewisse zeitliche Dauer Elektronen absorbieren zu können, ohne
durch die dadurch verursachte thermische Belastung Schaden zu nehmen.
Die Wärmekapazität ist dabei
in Abstimmung auf die restliche Röntgenröhre und deren Strahlleistung
so bemessen, dass ein Elektronenbeschuss für eine Zeitdauer tolerierbar
ist, die der maximalen Zeitdauer von typischerweise auftretenden
Fehlern bei der Steuerung des Ablenkstroms für die Einstellung der Richtung
des Elektronenstrahls, z.B. infolge schneller Spannungseinbrüche, entspricht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Blende elektrisch so beschaltet, dass Elektronen von ihr abfließen können. Dazu weist
sie eine elektrisch leitfähige
Verbindung zu einer Erdung oder einem geeigneten festen Potenzial auf.
Durch das feste Bezugspotenzial wird verhindert, dass die Blende
sich elektrisch auflädt
und ein elektrisches Feld erzeugt, dass zu einer ungewollten Ablenkung
des Elektronenstrahls führt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Blende eine ausreichend große
Wärmeleitfähigkeit
auf, um zumindest während
einer Zeitspanne, die ein ungewollter Elektronenbeschuss der Blende,
z.B. in Folge einer fehlerhaften Steuerung des Ablenkstroms, typischerweise
andauert, Elektronen absorbieren zu können. Die gute Wärmeleitfähigkeit
ermöglicht
den Abtransport der Wärme,
die bei der Absorption der Elektronen durch deren kinetische Energie
erzeugt wird. Der Abtransport der Wärme ist zum einen erforderlich,
um eine punktuelle übergroße Erhitzung
der Blende zu verhindern, zum anderen kann die Wärme nach ihrer Verteilung über eine
größere Fläche besser
abgestrahlt werden und darüber
hinaus an angrenzende Bauteile abgegeben werden, z.B. an die Umhüllung der
Röntgenröhre.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 Röntgenröhre mit massiver Blende, die
eine große
Wärmekapazität aufweist,
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2 Röntgenröhre mit filigraner Blende, die
ein geringes Gewicht aufweist.
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In 1 ist eine Röntgenröhre 1 mit
einer Blende 13 gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Röntgenröhre 1 weist
eine Kathode 3 auf, von der Elektronen durch Anlegen einer
Röntgenspannung zur
Anode 5 hin beschleunigt werden. Im allgemeinen wird die
Elektronen-Emissivität
der Kathode 3 thermisch angeregt. Die emittierten Elektronen
werden außerdem
im Bereich der Kathode vor-fokussiert und bilden einen Elektronenstrahl 9,
der auf dem Weg zur Anode durch Ablenkspulen 7 in eine
vorbestimmte Richtung abgelenkt werden kann. Außerdem können die Ablenkspulen 7 einer
weiteren Fokussierung des Elektronenstrahls 9 dienen.
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Die
Richtung des Elektronenstrahls 9 muss für den Betrieb der Röntgenröhre 1 so
eingestellt sein, dass er die Anode in ihrem abgewinkelten Randbereich
trifft. Die Größe des Brennflecks,
die der Elektronenstrahl 9 auf der Anode bildet, entscheidet über den
Umfang des erzeugten Röntgenstrahls, da
Röntgenstrahlung überall dort
erzeugt wird, wo Elektronen auf die Anode 5 auftreffen
und dadurch abgebremst werden, also im gesamten Brennfleck.
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Die
Röntgenröhre 1 ist
so aufgebaut, dass bei jeder Röntgenspannung
und bei korrekter Einstellung des Ablenkspulenstroms in den Ablenkspulen 7 ein
Röntgenstrahl
erzeugt wird, der durch das Strahlenaustrittsfenster 11 hindurch
tritt. Das Strahlenaustrittsfenster 11 ist gegenüber der
restlichen Umhüllung
der Röntgenröhre 1 so
verändert,
dass die Röntgenstrahlung
weitgehend wechselwirkungsfrei, d.h. ungedämpft, hindurchtreten kann.
Zu diesem Zweck weist das Strahlenaustrittsfenster eine geringere
Materialstärke
und keinerlei Schutzbeschichtungen auf, was es zwar für die Röntgenstrahlung
durchlässiger,
jedoch auch empfindlicher für thermische
Belastungen macht. Daher ist z.B. eine thermische Belastung des
Strahlenaustrittsfensters durch ungewollten Beschuss mit den von
der Kathode kommenden Elektronen zu vermeiden.
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Während der
Ablenkspulenstrom zur Ablenkung des Elektronenstrahls 9 im
normalen, stabilen Betriebszustand der Röntgenröhre 1 problemlos korrekt
eingestellt werden kann, unterliegt die Steuerung bei unvorhergesehenen
Störungen
oder Betriebszuständen
der Röntgeneinrichtung
Schwierigkeiten. Zur Steuerung des Ablenkspulenstroms wird die an der
Röntgenröhre 1 angelegte
Röntgenspannung
gemessen und der in Abhängigkeit
von Röntgenspannung
erforderliche Strom der Ablenkspulen 7 mittels einer Kennlinie
ermittelt. Zeitkonstanten bei der Messung der Röntgenspannung und der Änderung
des Ablenkspulenstroms, z.B. aufgrund der Induktivitäten der
Ablenksspule, bewirken, dass der Elektronenstrahl 9 insbesondere
bei schnellen und plötzlichen Änderungen
der Röntgenspannung
nicht ausreichend schnell nachgeführt werden kann.
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Derartige
schnelle Änderungen
können
z.B. bei Überschlägen innerhalb
der Röntgenröhre 1 auftreten,
bei denen schlagartig ein Kurzschluss zwischen Kathode 3 und
Anode 5 entsteht. Weitere Ursachen können Schwankungen der Spannungsversorgung
des Röntgenspannungsgenerators
sein, außerdem
treten unkompensierbar schnelle Änderungen
der Röntgenspannung
beim Einschalten und Abschalten des Betriebs der Röntgenröhre 1 auf.
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Neben
zeitlichen Verzögerungen
bei der Nachführung
des Elektronenstrahls 9 besteht eine weitere, nicht auszuschließende Ursache
für Fehler darin,
dass Fehleinstellungen der Brennfleckposition aufgrund von menschlichem
Versagen vorgenommen werden.
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Um
eine Beschädigung
des Strahlenaustrittsfensters 11 durch einen fehlerhaft
abgelenkten Elektronenstrahl 9 wirksam auszuschließen, ist
gemäß der Erfindung
eine Blende 13 zum Schutz des Strahlenaustrittsfensters 11 vorgesehen,
die verhindert, dass Elektronen von der Kathode 3 zum Strahlenaustrittsfenster 11 gelangen
können.
Die Blende 13 ist so angeordnet, dass jeder Elektronenstrahl 9 auf
dem Weg zum Strahlenaustrittsfenster 11 blockiert wird,
dass Strahlenaustrittsfenster 11 liegt insofern im Schatten
der Blende 13. Die blockierende Wirkung durch die Blende 13 wird
in einfacher Weise dadurch erreicht, dass die Blende 13 den
Elektronen sozusagen im Weg steht und diese absorbiert.
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Die
absorbierende Wirkung der Blende 13 kann im Prinzip durch
Verwendung eines beliebigen Blendenmaterials erzielt werden, soweit
der Materialquerschnitt stark genug gewählt wird, um für Elektronen,
die auf Röntgenspannung
beschleunigt wurden, nicht durchlässig zu sein. Es ist jedoch
von großem Vorteil,
wenn das Material elektrisch leitfähig ist, sodass eine Aufladung
der Blende 13 durch Elektronenbeschuss vermieden wird.
Ansonsten besteht die Gefahr, dass durch eine Aufladung der Blende 13 elektrische
Felder unvorhersehbarer Stärke
erzeugt werden, die zu einer nicht kontrollierbaren Ablenkung des
Elektronenstrahls 9 führen
würden.
Idealerweise verfügt
die Blende 13 über
eine elektrisch leitfähige Verbindung
zu einem festen Bezugspotenzial oder zur Erdung der Röntgenröhre 1.
Die Verbindung kann beispielsweise über den Kontakt zur Außenhaut
der Röhre 1 gegeben
sein.
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Als
vorteilhaftes Material zur Herstellung der Blende 13 kann
Wolfram oder Edelstahl verwendet werden. Die Blende 13 kann als
eigenes Bauteil von einigen Millimetern Materialstärke hergestellt
und in die Außenhaut
der Röntgenröhre 1,
typischerweise ein Glaskörper,
eingepasst werden. Dort kann sie verlötet oder verschweißt werden
oder durch ihre Form fixiert sein.
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Ebenso
wie die Anode 5 erwärmt
sich die Blende 13 bei Absorption von Elektronen aufgrund von
deren kinetischer Energie. Daher ist die Blende 13 so ausgestaltet,
dass sie einen ausreichend hohen Schmelzpunkt und eine ausreichende
Wärmekapazität aufweist,
um zumindest eine begrenzte Anzahl von Elektronen absorbieren zu
können,
ohne thermisch Schaden zu nehmen. Der Schmelzpunkt sollte dabei
mindestens dem von Edelstahl entsprechend, also bei mindestens 1400 °C liegen.
Wie groß die
Wärmekapazität zu bemessen
ist, hängt
von den Zeitkonstanten beim Betrieb der Röntgenröhre 1 ab, z.B. von
der Drehzahl der Röhre 1,
von deren Umfang und damit der Bewegungsgeschwindigkeit der Blende 13,
und von der Stahlleistung. Bei Auftreten von Spannungszusammenbrüchen in
der Röhre 1 ist die
typischer Weise auftretende Fehlerdauer so gering, dass die thermische
Stabilität
der Blende 13 von untergeordneter Bedeutung.
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Als
Zeitkonstante ist z.B. die Zeit zugrunde zu legen, für die der
Elektronenstrahl 9 beim Einschalten oder Abschalten der
Röntgenröhre 1 auf
die Blende 13 anstelle der Anode 5 auftrifft.
Weiter maßgebliche
Zeitkonstanten werden z.B. die Reaktionszeit der Steuerung des Röntgenspannungsgenerators
auf Zusammenbrüche
der Röntgenspannung
infolge von Überschlägen innerhalb
der Röntgenröhre 1.
Die Wärmekapazität der Blende 13 muss
zumindest so bemessen sein, dass diese einen Elektronenbeschuss
für die
maximale Zeitdauer des Auftretens typischer Fehler thermisch unbeschadet übersteht. Selbstverständlich wird
bei der Bemessung eine ausreichende Fehlermarge vorgesehen werden.
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In 2 ist die gleiche Röntgenröhre 1 wie
in der vorhergehenden 1 unter
Verwendung der gleichen Bezugszeichen dargestellt. Sie weist ebenfalls
gemäß der Erfindung
eine Blende 13 zum Schutz des Strahlenaustrittsfensters 11 auf,
die jedoch anders gestaltet ist. Die Blende 13 ist von
möglichst
geringer Materialstärke,
um eine geringe Masse zu erzielen und das Gewicht der gesamten Röntgenröhre 1 niedrig
zu halten.
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Das
niedrige Gewicht der Röntgenröhre 1 ist vor
allem dann von Interesse, wenn die Röntgenröhre 1 in einer Röntgeneinrichtung
nicht statisch angeordnet sein soll, sondern beweglich. Dies gilt
z.B. bei der Verwendung als Drehkolbenröhre, bei der die Röntgenröhre 1 um
ihre eigene Längsachse
rotiert, um eine schnelle Beschleunigung der Röhre 1 auf Betriebsdrehzahl
zu ermöglichen,
oder z.B. in CT-Geräten,
in denen die Röntgenröhre 1 in
einer sogenannten Gantry eingebaut ist, die um das zu untersuchende
Objekt oder den zu untersuchenden Patienten herumrotiert.
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Um
punktuelle thermische Belastungen der Anode 5 zu vermeiden,
ist es bekannt, den Brennfleck des Elektronenstrahls 9 nicht
statisch auf der Anode 5 ruhen zu lassen, sondern über deren
Oberfläche
hinwegstreichen zu lassen. Zu diesem Zweck können entweder Drehanoden eingesetzt
werden, die innerhalb der Röntgenröhre um die
eigene Längsachse
rotieren, wobei hierfür
eine aufwendige Rotationsmechanik vorzusehen ist. Zum anderen kann dies
durch Verwendung einer Drehkolbenröhre erreicht werden, bei der
Elektronenstrahl 9 durch geeignete Ablenkfelder der Ablenkspulen 7 in
einer ortsfesten Orientierung auf dem Anodenteller gehalten wird.
Die räumliche
Geometrie von Elektronenstrahl 9 und erzeugtem Röntgenstrahl
bleibt dadurch erhalten, während
die Anode 5 sozusagen unter dem Brennfleck des Elektronenstrahls
vorbei bewegt wird.
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Gegenüber der
Verwendung einer Drehanode ergibt sich der Vorteil, dass der Aufwand
einer Rotationsmechanik innerhalb der evakuierten Röntgenröhre 1 vermieden
wird. Es ergibt sich jedoch der Nachteil, dass der Elektronenstrahl 9 eine
stabile Ablenkung durch die Ablenkspulen 7 erfahren muss, und
dass die Ablenkung besonders anfällig
für die obengenannten
Fehler ist.
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Nicht
kompensierbare Fehler bei der Ablenkung des Elektronenstrahls 9 aufgrund
von unvorhersehbaren, schnellen Schwankungen der Röntgenspannung
können
daher gerade bei Drehkolbenröhren
zum ungewollten Beschuss des Strahlenaustrittsfensters 11 durch
Elektronen führen.
Daher ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Blende 13 insbesondere
für Drehkolbenröhren von
Vorteil.
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Wird
die Blende 13, wie in 2 dargestellt, zur
Gewichtseinsparung besonders filigran gestaltet, ergibt sich eine
entsprechend geringe Wärmekapazität. Um punktuelle
thermische Beschädigungen
zu vermeiden, wird daher ein Material gewählt, dass eine ausreichende
thermische Stabilität
und eine gute thermische Leitfähigkeit
besitzt. Insbesondere muss das Material einen hohen Schmelzpunkt
aufweisen. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit
wird punktuell erzeugte Wärme
in der Blende 13 verteilt und kann außerdem an angrenzende Bauteile,
z.B. die Außenhaut
der Röntgenröhre 1,
abgegeben werden. Sobald die Wärme über eine
größere Fläche verteilt ist,
kann sie zudem besser abgestrahlt werden.
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Wärmeleitfähigkeit
und thermische Stabilität der
Blende 13 sind wie oben beschrieben so zu bemessen, dass
ein ungewollter Elektronenbeschuss für die maximale Dauer des Auftretens
typischer Fehler bei der Steuerung des Ablenkspulenstroms ohne wesentliche
Beschädigung
verkraftet wird. Das Ausmaß eventueller
thermischer Beschädigungen
sollte so unwesentlich sein, dass die erwartete Lebensdauer der
Blende 13 die Lebensdauer der Röntgenröhre 1 nicht unterschreitet.