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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Strahlungsemissionsvorrichtung
und insbesondere eine Röntgenröhre. Die
Ausführungsform
kann in der medizinischen Bildgebung und auch auf dem Gebiet der
zerstörungsfreien
Prüfung
verwendet werden, wenn Hochleistungsröntgenröhren verwendet werden. Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist auf die Kühlung
einer solchen Vorrichtung gerichtet.
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In
der Radiologie werden Röntgenstrahlen durch
eine Elektronenröhre
erzeugt, die mit einer auf einer Welle rotierenden Anode versehen
ist. Ein zwischen der Kathode und der Anode erzeugtes starkes elektrisches
Feld ermöglicht
es, dass von der Kathode emittierte Elektronen auf der Anode auftreffen, wodurch
Röntgenstrahlen
erzeugt werden. Für
diese Röntgenemission
wird die positive Polarität über die Welle
an die Anode angelegt, und die negative Polarität wird an die Kathode angelegt.
Die Einheit ist durch dielektrische Elemente oder durch eine Ummantelung
bzw. einen Einschluss der Elektronenröhre speziell isoliert. Diese
Ummantelung kann teilweise aus Glas hergestellt sein.
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Wenn
die Röhre
bei einer hohen Leistung betrieben wird, bewirkt das Auftreffen
der Elektronen auf die Anode eine ungewöhnliche Erhitzung der Anode.
Wenn die Leistung übermäßig hoch
ist, kann eine Emitterspur auf der Anode verschlechtert bzw. beeinträchtigt und
mit Einschlaglöchern
versehen werden. Um eine solche Überhitzung
zu verhindern, lässt
man die Anode rotieren, so dass eine ständig erneuerte und ständig kalte
Oberfläche
dem Elektronenstrom ausgesetzt wird.
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Dazu
treibt ein Motor der Röhre
die Welle der Anode frei in einem mechanischen Lager an. Die Welle
ist in einer Anodenkammer angeordnet. Die Anodenkammer selbst ist
in einem Anodenträger ausgebildet.
Einerseits wird das Lager von dem Anodenträger gehalten, und andererseits
hält es
die Welle der Anode.
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In
der Praxis und bei einer großtechnischen Herstellung
enthält
das Lager klassische Kugellager im Gegensatz zu den selten verwendeten
magnetischen Lagern. Das von den rotierenden Anoden erzeugte Problem
ergibt sich aus dem schnellen Verschleiß der metallischen Beschichtung
der Kugeln während
der Drehung der Welle in dem Lager. Die normale Gebrauchsdauer beträgt dann
etwa 100 Stunden, die einen Nutzungszeitraum der Röhre von etwa
sechs Monaten bis zu einem Jahr ergeben. Um dieses Problem zu lösen, ist
vorgeschlagen worden, die Lager mit Metall, Blei oder Silber in
Form einer dünnen
Schicht zu beschichten. Um diesen vorzeitigen Verschleiß der Metallschicht
zu verringern, wird ein Schmiermittelfilm an der Grenzfläche zwischen den
Oberflächen
der Kugeln und der Welle zwischen dem Lager und der Welle der Anode
angeordnet. Zu diesem Zweck wird das Innere der Kammer mit einer Flüssigkeit
auf der Basis von Gallium-Indium-Zinn gefüllt. Eine solche Flüssigkeit
wird gewählt,
weil sie den Reibungskoeffizienten verbessert, das Geräusch der
Stöße zwischen
den Kugeln verringert und die Übertragung
der durch die Erhitzung der Anode bedingten Wärme auf den feststehenden Teil
entweder durch Konvektion oder durch Wärmeleitung erhöht. Andere
Schmierflüssigkeiten
werden nicht gewählt, weil
sie schlechte Entgasungseigenschaften aufweisen.
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In
der gegenwärtigen
und zukünftigen
Radiologie steigt die von den Elektronenröhren benötigte Leistung an, um die Diagnosen
zu verbessern. Dieser Anstieg der Leistung erhöht das Gewicht der Anode auf
6–8 kg.
Infolgedessen werden die sich ergebenden Wirkungen in dem Lager
kritisch. Darüber
hinaus ist das Lager zur Verwendung in der Computertomographie mit
einer kontinuierlichen Rotation von zwei Umdrehungen pro Sekunde
einer Beschleunigung von etwa 8g ausgesetzt. Rotationsgeschwindigkeiten
von drei bis vier Umdrehungen pro Sekunde werden erwartet. Folglich
kann die Lebensdauer des Lagers und damit die der Röhre mit
den Kugeln und der Flüssigkeit
in der Zeit begrenzt sein. Tatsächlich
kann die Flüssigkeit
ihre Eigenschaften und damit ihre Eignung bzw. Qualitäten verlieren,
wenn in dem Lager Erhitzung und Reibung auftreten.
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Die
Verwendung einer rotierenden Anode muss weiterhin drei Bedingungen
erfüllen.
Erstens muss die Drehung der Anode so frei und perfekt wie möglich sein,
und einfache Lösungen
zur dynamischen Auswuchtung müssen
eingeplant werden, um die Röhre
an Schwingungen zu hindern, wenn die Anode sich dreht. Zweitens
muss die Anode geeignet sein, auf eine hohe Spannung gelegt zu werden
(Normalerweise dienen Lager mit Stahlkugeln zu diesem Zweck). Drittens
muss die Hitze, die durch das Auftreffen der Elektronen auf dem
Anodentarget erzeugt wird und sich in die Welle ausbreitet, wirksam
abgeführt
werden.
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JP-A-5-258
691 beschreibt eine Anordnung, in der Kugellager durch eine Galliumlegierung
geschmiert werden. Diese Anordnung erfüllt jedoch nicht die oben genannten
Bedingungen.
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Tatsächlich ist
darin die Auswuchtung in Folge des großen Durchmessers des Rotors
schwierig, während
die Wärmeabführung durch
eine feste Welle von geringer Größe geleistet
wird und nichts zur Verbesserung der Wärme- und Stromleitung vorgesehen ist.
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US 6 125 168 beschreibt
für eine
Röntgenröhre nur
die Verwendung einer Galliumlegierung zur Verbesserung der Wärmeleitung.
US 6 160 868 stellt auch
eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
mit einer Galliumlegierung zur Verfügung.
US 6 377 658 ist ebenso wie
US 6 192 107 von der gleichen
Art.
US 4 943 989 schafft
eine Kühlung
der Anode selbst. Aus thermischen Gründen liefert
US 3 719 847 ein flüssiges Metall,
das verdampft und danach in den flüssigen Zustand zurückkehrt.
US 2003-0165217 stellt nur einen Wärmenebenschluss zur Verfügung.
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In
jedem Fall stellt die Kühlung
der Röhre
ein Problem dar, weil sie eine Vergrößerung der Röhren erzwingt,
wohingegen aus Gründen
der Handhabung vielmehr die Herstellung kleinerer Röhren verlangt wird.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist daher eine Strahlungsemissionsvorrichtung, wie
z.B. eine Röntgenröhre, die
aufweist: einen umschlossenen Raum, in dem die Strahlung erzeugt
wird, und Mittel zur Kühlung
der Vorrichtung. In dem Raum befinden sich eine Kathode, eine in
Ausrichtung auf diqe Kathode angeordnete und auf einer Welle rotierende
Anode und ein fester Anodenwellenträger. Der Träger weist eine Halterungskammer
und in dieser Kammer ein Kugellager auf. Die Welle der Anode ist in
der Kammer durch das Lager gehaltert. Die Kammer des Trägers ist
mit einer flüssigen
Gallium-Indium-Zinn-Legierung
gefüllt,
in die das Lager eingetaucht ist. Die Mittel zur Kühlung der
Vorrichtung weisen einen Kreislauf auf, um die Flüssiglegierung
während
des Gebrauchs der Röhre
zum Eindringen in die Kammer und zum Verlassen derselben zu veranlassen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren
besser verstanden. Die Figuren werden nur zum Zwecke der Erläuterung
geliefert und beschränken
in keiner Weise den Bereich der Erfindung. In den Figuren zeigen:
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1a und 1b zwei
schematische Schnittansichten von zwei Varianten einer Röntgenröhrenausführung der
Erfindung,
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2 eine
schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine
Art der Verwendung einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung fließt eine
flüssige
Metalllegierung durch die Anode. Demnach tritt die Legierung in
eine Kammer des Anodenträgers
ein, kühlt
darin die Lager und die Welle und letztendlich die Anode. Ein Volumenmenge
der Legierung wird der Kammer zur selben Zeit entzogen, in der sie
durch eine andere kältere
Volumenmenge ersetzt wird. Diese Art des Vorgehens, die während einer Verwendung
der Röhre
durchgeführt
wird, d.h. während
die Röntgenstrahlen
erzeugt werden, vergrößert die
Menge der Legierung, die zu dem Kühlvorgang beiträgt, ohne
das Gewicht des rotierenden Teils, d.h. das Gewicht der Anode und/oder
ihrer Welle zu vergrößern und
ohne die Größe der Röhre zu vergrößern. Ohne
irgendwelche Auswirkungen im Hinblick auf Beschleunigung, Auswuchtung
und begleitendem Verschleiß in
den Lagern ist die durch die Röntgenstrahlen
erhitzte Masse folglich größer. Die Legierung
ist speziell eine Gallium-Indium-Zinn-Legierung.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung sorgt dafür,
dass die Gesamtheit der Welle in die flüssige Metalllegierung eintaucht,
wobei die Abdichtung der Kammer durch eine Dichtungsvorrichtung
erreicht wird, die an dem Wellenausgang angeordnet ist. In einer
anderen Ausführungsform
ist die Anodenwelle in Längsrichtung
hohl. Die Anodenwelle ruht dann auf Lagern, die in zwei getrennten
Kammern auf jeder Seite der Welle angeordnet sind. Die flüssige Legierung
fließt
in der Welle und kühlt
diese über ihre
Länge hinweg.
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Die 1a und 1b zeigen
eine Röntgenröhre 1 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Die Röhre 1 weist
einen umschlossenen Raum 2 auf. Der Raum 2 ist
z.B. zum einen durch eine Wand 3 der Röhre 1 begrenzt. Die
Röhre 1 weist auch
eine rotierende Anode 4 auf. Die rotierende Anode 4 ist
so angeordnet, dass sie einer Kathode 5 gegenüber liegt.
Innerhalb des Raumes 2 der Anode 1 befindet sich
ein Rotor 6 eines Motors für den Drehantrieb der Anode 4.
Ein Stator 7 dieses Motors ist außerhalb des Raumes 2 dem
Rotor gegenüber
angeordnet. Die Anode 4 weist auch eine Anodenwelle 8 auf.
Die Kathode ist so angeordnet, dass sie einer Anodenspur 9 gegenüber liegt.
Wenn eine Hochspannung an die Anode angelegt wird, werden Elektro nen
aus der Kathode 5 ausgelöst, und durch die Wirkung eines
starken elektrischen Feldes treffen sie auf die Anodenspur 9 auf.
Durch die Wirkung dieses Auftreffens sendet die Anodenspur 9,
die aus einem Röntgenstrahlen
emittierenden Material gebildet ist, Röntgenstrahlen aus. Die Röntgenstrahlen
verlassen die Röhre 1 durch
ein Fenster 10, das in der Wand 3 angeordnet ist.
Das Fenster 10 ist z.B. aus Glas oder einem für Röntgenstrahlen
durchlässigen
Material hergestellt. Es ist luftdicht. Der auf diese Weise gebildete
Raum 2 wird insbesondere durch ein Saugloch (nicht gezeigt),
das anschließend
durch einen Sperrelement verschlossen wird, konventionell unter Vakuum
gesetzt.
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Um
die Anode 4 in Drehung zu halten, ist die Röhre 1 mit
einem Anodenträger 11 versehen,
der aus Metall hergestellt ist. Der Träger 11 ist hohl und weist
eine Kammer 12 auf. In der Kammer 12 halten Lager,
wie z. B. 13, die Anode 4 durch den Träger 11, indem
sie jeweils auf dem Träger 11 und
der Welle 8 ruhen. Um die Probleme der Schmierung und der Wärmeübertragung
während
der Drehung der Anode 4 zu lösen, kann die Kammer 12 mit
einer flüssigen Gallium-Indium-Zinn-Legierung
gefüllt
werden. Dadurch wird das Lager 13 in die Flüssiglegierung
eingetaucht. Die flüssige
Gallium-Indium-Zinn-Legierung hat danach mehrere Funktionen. Erstens schmiert
sie die Kugeln des Lagers 13. Zweitens schafft sie eine
wirksame elektrische Verbindung der Anode mit einem von dem Träger 11 vorgegebenen Potential.
Drittens kühlt
die Flüssiglegierung
die Anode, indem sie die Wärme
aufnimmt, die auf der Anode 4 erzeugt wird und sich in
die Welle 8 hinein ausbreitet, und zu dem Träger abführt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Mittel zur Kühlung durch einen Umlauf der flüssigen Legierung geschaffen.
Ein Kreislauf oder eine Leitung wird geschaffen, um die flüssige Legierung
zum Eindringen in die Kammer 12 und zum Austreten aus dieser
Kammer zu veranlassen. Dieser Kreislauf ist während des Betriebs der Röhre aktiv.
In den verschiedenen gezeigten Ausführungsformen weist dieser Kreislauf
zwei Kammern, die Kammer 12 und die Kammer 14,
auf. Die Kammern 12 und 14 sind am Ort der beiden
jeweiligen Enden 15 und 16 der Welle 8 ausgebildet.
Zu diesem Zweck ist die Kammer 14 in einem zweiten Träger 17 angeordnet. Die
beiden Träger 11 und 17 sind
an der Wand 3 befestigt. Die Kammer 12 dient z.B.
als Einlasskammer für
die Flüssiglegierung,
während
die Kammer 14 als eine Auslasskammer dient.
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Um
von einer Kammer in die andere zu gelangen, kann die Flüssiglegierung
eine Hilfsleitung durchlaufen. Die Wirksamkeit der Wärmeübertragung
kann verbessert werden, wenn die Welle 8 hohl ist. Die
Welle 8 dient dann als eine Hilfsleitung. Zu diesem Zweck
weist die Welle 8 eine Längsbohrung 18 über ihre
Länge auf.
Die Bohrung 18 öffnet
sich an ihren Enden in jede der Kammern 12 und 14.
Die Kammern 12 und 14 weisen daher Öffnungen 19 und 20 auf,
um die flüssige
Legierung jeweils einzulassen und abzugeben.
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Es
ist möglich,
nur eine Kammer in nur einem Träger
zu haben. In diesem Fall würde
der einzige Träger
alle Lager tragen und beide Öffnungen
aufweisen, um die Flüssiglegierung
einzulassen und abzugeben.
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Die
Welle 8 weist an dem Ausgang aus jeder der Kammern 12 und 14 jeweils
einen Wellenausgang 21 und 22 auf. Damit die Flüssiglegierung
nicht durch diese Ausgänge 21 und 22 fließt, wird
eine Abdichtung auf zwei komplementäre Arten erreicht. Erstens
wird für
die Vakuumabdichtung, wenn die Anodenwelle sich nicht dreht, ein
Raum zwischen einem Innendurchmesser der Träger 11 oder 17 und
einem Außendurchmesser
der Welle 8 an dem zu diesen Ausgängen 21 oder 22 vertikalen
Ort abgegrenzt. Die Begrenzung dieses Raumes wird durch die Oberflächenspannung
der flüssigen
Gallium-Indium-Zinn-Metalllegierung an dem Material der Welle 8 und
der Träger 11 und 17 festgehalten.
Es kann erkannt werden, dass diese Legierung eine geringe Nässe bzw.
Benetzung aufweist und die Oberflächenspannung ein Spiel von
etwa 1/100 mm schafft bzw. zulässt,
das für
eine effiziente Rotation der Welle 8 vorteilhaft und weiterhin
unter großtechnischen Bedingungen
leicht zu erfüllen
ist. Die Träger 11 und 17 sind
befestigt, wenn sich die Welle 8 dreht.
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Wenn
sich die Welle 8 dreht, steigt der Druck der Flüssiglegierung
an. Die Legierung neigt dazu, aus der Kammer 12 zu entweichen
und den Raum 2 der Röhre
zu verunreinigen. Um die Legierung in der Kammer 12 einzusperren,
ist in diesem Falle beabsichtigt, die Oberfläche des Trägers 11, die in Kontakt steht,
oder die Oberfläche
der Welle 8 in dem Bereich vertikal zu dem Ausgang 21 mit
einer schraubenförmigen
Reliefstruktur zu versehen. Die Steigung der Schraubenlinie ist
so ausgerichtet, dass sich das schraubenförmige Relief für eine gegebene
Drehrichtung der Welle 8 vor der auf die Schraubenlinie
gerichteten Oberfläche
wie ein Abstreifer verhält.
Ein solcher Abstreifer neigt dazu, die Legierung in die Kammer 12 zurückzuschieben.
Falls erforderlich, kann das gleiche Merkmal bei der Kammer 14 vorgesehen
sein.
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In
der Variante von 1a ist der Rotor 6 entlang
der Anodenwelle 8 befestigt. Die Gesamtabmessung der Röhre ist
größer, aber
die Wärmeübertragung über die
Anodenwelle ist effizienter, weil die mit der Flüssiglegierung in Kontakt stehende
Länge der
Welle größer ist.
In der Variante aus
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1b ist
der Aufbau kompakter. In diesem zweiten Fall ist der Rotor 6 an
der Anodenwelle befestigt. In beiden Fällen sind die Pole des Stators
so angeordnet, dass sie dem von den Polen des Rotors durchlaufenen
Pfad gegenüber
liegen. Im Falle der Variante aus 1a ist
der Rotor in dem Träger 11 angeordnet.
In dem Fall der Variante aus 1b ist er
direkt in dem Raum 2 angeordnet.
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2 zeigt
eine Ausführungsform,
in der die Flüssiglegierung
zu einem Wärmetauscher 23 gelangt.
In dem Wärmetauscher 23 gibt
die Flüssiglegierung
auf Gallium-Indium-Zinn-Basis
ihre Wärme an
ein anderes Fluid, z.B. Wasser ab. Der Wärmetauscher 23 kann
z.B. aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Keramik hergestellt
sein. In diesem Fall kann eine effizientere Lösung der Isolation der Röntgenröhre vorgeschlagen
werden. Falls nötig
kann das Potential der Anode von dem Massepotential abweichen und
auf eine hohe Spannung gelegt werden. Das andere Fluid, das in den
Wärmetauscher 23 fließt, kann
durch eine Wärmesenke 24 gekühlt werden,
die ihrerseits durch Luft gekühlt
wird. Pumpen 25 und 26 erzwingen den Umlauf der
Fluide in den verschiedenen Kreisläufen.
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3 liefert
eine Ansicht eines isozentrischen C-Arms 27 in einer medizinischen
Anwendung, der mit einer Röntgenröhre mit
der offenbarten Kühlung
ausgerüstet
ist. In 3 ist der Wärmetauscher 23 in
einem sich bewegenden Element des Stators angeordnet, während eine
Wärmesenke 26 im
unteren Teil des C-Arms 27 angeordnet ist, wo viel Platz
vorhanden ist und Kühlungsluft
ohne Beeinträchtigungen
für den
Patienten (die durch Lüftungsgeräusche verursacht
werden) abgegeben werden kann.
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Eine
gekühlte
Strahlungsemissionsvorrichtung weist einen umschlossenen Raum auf,
in dem Röntgenstrahlen
erzeugt werden. In dem Raum befinden sich eine Kathode, eine der
Kathode gegenüber
auf diese ausgerichtet angeordnete und auf einer Welle 7 rotierende
Anode und ein feststehender Anodenwellenträger 11. Der Träger enthält eine
Halterungskammer 12, wobei die Welle der Anode in der Kammer
gehaltert ist. Die Kühlung
der Röhre
verwendet eine Gallium-Indium-Zinn-Flüssiglegierung, die durch die
Anodenwelle strömt.
Diese Legierung ist ein Leiter für
Wärme und
elektrischen Strom. Gleichzeitig mit der Schmierung der Lager und
der elektrischen Versorgung der Anode, stellt sie die Kühlung der
Anode her.
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Während eine
Ausführung
der Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden
ist, wird von Fachleuten weiterhin erkannt, dass vielfältige Änderungen
an der Funktion und/oder des Weges und/oder des Ergebnisses vorgenommen
werden können
und Äquivalente
für ihre Elemente
eingesetzt werden können,
ohne von dem Bereich und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können zahlreiche
Abwandlungen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder
ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen,
ohne von ihrem wesentlichen Bereich abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt,
dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist,
die als die zum Ausführen
der Erfindung als am besten angesehene Art offenbart ist, sondern
dass die Erfindung alle Ausführungsbeispiele
einschließt,
die in den Bereich der beigefügten
Ansprüche
fallen. Darüber
hinaus bezeichnet die Verwendung der Ausdrücke erster, zweiter etc. keine Reihenfolge
oder Wichtigkeit, sondern die Ausdrücke erster, zweiter etc. werden
stattdessen verwendet, um ein Element oder Merkmal von einem anderen
zu unterscheiden. Weiterhin bezeichnet die Verwendung der Ausdrücke ein,
eine etc. keine Beschränkung
der Anzahl, sondern bedeutet vielmehr, dass wenigstens eines der
bezeichneten Elemente oder Merkmale vorhanden ist.
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- 1
- Röhre
- 2
- Raum
- 3
- Wand
- 4
- Anode
- 5
- Kathode
- 6
- Rotor
- 7
- Stator
- 8
- Anodenwelle
- 9
- Anodenspur
- 10
- Fenster
- 11
- Träger
- 12
- Kammer
- 13
- Lager
- 14
- Kammer
- 15
- Ende
- 16
- Ende
- 17
- Zweiter
Träger
- 18
- Längsbohrung
- 19
- Öffnung
- 20
- Öffnung
- 21
- Wellenausgang
- 22
- Wellenausgang
- 23
- Wärmetauscher
- 24
- Wärmesenke
- 25
- Pumpe
- 26
- Pumpe
- 27
- Isozentrischer
C-Arm