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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Röntgenaufnahmen Die
Qualität von Röntgenphotögraphien hängt in erheblichem Maße von der Bildschärfe
ab. Die unscharfe Abbildung von Körperumrissen wird einesteils dadurch herbeigeführt,
daß der Brennfleck eine gewisse Ausdehnung hat, und anderenteils dadurch, daß für
die Aufnahme eine gewisse Belichtungszeit erforderlich ist, während welcher sich
die abzubildenden Körper durch Eigenbewegung verschieben.
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Außer dem Gebrauch von empfindlichen photographischen Filmen und Verstärkungsschirmen
sind die wichtigsten Mittel, die unter Aufrechterhaltung der Bildschärfe zum Vergrößern
der zulässigen Belastung verwendet werden, der bandförmige Brennfleck, von dem die
in der Längsrichtung unter einem sehr kleinen Winkel mit der Antikathodenfläche
austretenden Strahlen verwandt werden, und die Drehanode. Bei dem erstgenannten
bleibt die spezifische Belastbarkeit der Antikathode unverändert, und die gesamte
Belastbarkeit wird infolge der größeren belasteten Fläche größer. Die Verwendung
einer Drehanode dagegen gibt die Möglichkeit, dieselbe belastete Fläche, also einen
kleinen Brennfleck, unter allen Bedingungen aufrechtzuerhalten, jedoch eine stärkere
Belastung zuzulassen, indem die spezifische BelaStb&rkeit der Anodenfläche vergrößert
wird. Die Erfindung betrifft ein neues Mittel, durch das die Belichtungszeit verkürzt
und somit die Bildschärfe vergrößert werden kann.
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Nach der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die an der Oberfläche
des Antikathodenspiegels die spezifische Belastbarkeit der Antikathode bedingende
Temperatur nach der Einschaltung der bis dahin unbelasteten Röhre nicht sofort den
Wert annimmt, den sie nach einer, gewissen Zeit hat. Es hängt von der Wärmeleitfähigkeit
des Antikathodenstoffs in der Umgebung des Brennflecks und von der Dicke des meist
aus Wolfram bestehenden Einsatzes ab, wie schnell die Temperatur ansteigt. Bei in
der Praxis verwendeten Röhren, die dauernd mit einer Energie belastet sind, welche
die Temperatur an der Antikathodenfläche bis zu annähernd 3000° steigert, wird diese
Höchsttemperatur erst nach z Sek. erreicht; nach 0,05 Sek. beträgt sie annähernd
z8oo°. Die Steigerung ist anfangs sehr steil und nimmt allmählich ab.
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Während der Zeit, in der die Temperatur noch im Steigen ist, ist die
Röhre eigentlich unterbelastet.
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Nach der Erfindung wird nun der Röntgenröhre eine Energie zugeführt,
welche die dauernd zulässige um ein Zwei- oder Mehrfaches übersteigt und die während
der Aufnahme allmählich bis zu oder unterhalb der Dauerbelastung
vermindert
wird, während die Spannung - nahezu gleichbleibend gehalten wird. Hierdurch wird
erzielt, daß die Temperatur schneller ansteigt, als wenn die Röhre mit einer gleichbleibenden
Belastung belastet würde, die der am Ende der Belastungsdauer von der Röhre aufgenommenen
entspricht.
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Ein Röntgengerät nach der Erfindung ist demgemäß mit einer für die
Röntgenröhre bestimmten Energiequelle ausgestattet, -mittels derer der Röhre bei
nahezu gleichbleibender Spannung eine während der Belastung abnehmende Energie zugeführt
wird. Ein solches Gerät eignet sich vorzüglich für kurzdauernde Aufnahmen.
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Das Verfahren und die Verwendung eines Geräts nach der Erfindung hat
den Vorteil, daß in einer gegebenen Zeit eine größere Anzahl mA/Sek. zugeführt werden
kann, da die Anzahl mA, mit der die Belastung begönnen wird, wesentlich höher als
die bei ständiger Belastung zulässige sein kann. Umgekehrt ist bei einer gegebenen
Anzahl mA/Sek. die Belichtungszeit kürzer, wenn mit einer stärkeren Belastung als
der Dauerbelastung angefangen wird.
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Dabei tritt die paradoxe Erscheinung auf, daß durch Ausübung des Verfahrens
nach der Erfindung eine Aufnahme, die eine gewisse Anzahl mA%Sek. erfordert, in
kürzerer Zeit und mit einer schwächeren Röhre hergestellt werden kann, als wenn
mit Dauerbelastung gearbeitet wird.
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Die zweckmäßigste Belastungsweise nach der Erfindung erzielt man,
wenn die Belastung nach einer solchen Funktion abnimmt, daß kein Absinken der Durchschnittstemperatur
an dem Brennfleck auf der Antikathode erfolgt und die Temperatur zwar möglichst
schnell, jedoch nicht über den höchstzulässigen Wert steigt.. Bei der Bezeichnung
Durchschnittstemperatur wird natürlich von Tempe4 raturschwankungen abgesehen, die
von Spannungsschwankungen hervorgerufen werden.
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Es sei bemerkt, daß das Verfahren nach der Erfindung und das Röntgengerät
zur Herstellung von kurzdauernden Aufnahmen nach diesem Verfahren nur auf solche
Röhren anwendbar sind, deren Sättigungsspannung höher ist oder doch höher gemacht
werden kann als die,.mit der die Röhre unter gewöhnlichen Bedingungen betrieben
wird, da es sonst nicht möglich wäre, eine Belastungserhöhung durchzuführen, ohne
auch die Spannung zu erhöhen.
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Geräte, bei denen die Belastung während der Aufnahme abnimmt, sind
in der Form von sogenannten $ondensatorgeräten bekannt. Bei diesen wird die Energie
für die Röntgenröhre von einem zuvor bis auf eine bestimmte Spannung geladenen Kondensator
geliefert. Hierbei wird die Wirkung, die mit denn Verfahren nach der Erfindung erreicht
wird, noch nicht erreicht, da bei solchen Geräten die Spannung der Röhre während
der Aufnahme nicht gleichbleibend ist, sondern sich mit dem Strom ändert. Eine starke
Veränderung der Spannung während der Aufnahme ist aber auf Grund des ungünstigen
Einflusses auf die Qualität des Bildes unerwünscht.
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Ein Röntgengerät nach der Erfindung kann eine mit der Einschaltvorrichtung
für die Elektrodenspannung der Röhre verbundene Vorrichtung besitzen, mittels derer
im Zeitpunkt des Einschaltens der Spannung ein Absinken der Glühkathodentemperatur
herbeigeführt wird. Beim Beginn der Aufnahme kann dann die Glühkathode so stark
erhitzt sein, daß die Emission bedeutend höher ist, als die Röhre auf die Dauer
vertragen kann. Diese Temperatur nimmt allmählich ab, so daß eine unzulässige Steigerung
der Anodentemperatur verhütet wird. Erwünscht ist jedoch, daß das Absinken der Glühkathodentemperatur
nicht so schnell erfolgt, daß die Anodentemperatur während der Aufnahme zurückgeht.
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Die in Frage kommende Ausführung kann in der Weise verwirklicht werden,
daß in den Glühstromkreis ein Widerstand eingefügt wird, der durch einen Schalter
überbrückt ist, und daß dieser mit der Einschaltvorrichtung für die Elektrodenspannung
gekuppelt wird, so daß dieser Schalter gleichzeitig mit dem Einschalten der Spannung
geöffnet wird.
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Auch kann man die Glühkathode mit Gleichstrom speisen und parallel
zu dieser Kathode einen Kondensator schalten. Wenn in diesem Fall gleichzeitig mit
dem Einschalten der Spannung an den Elektroden der Röhre der Heizstrom der Glühkathode
unterbrochen oder geschwächt wird, findet eine allmähliche Abnahme der Glühkathodentemperatur
während der Aufnahme statt.
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Gegenüber der ersten Ausführungsmöglichkeit hat jene mit dem Kondensator
den Vorteil, daß man hierbei die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur abnimmt,
durch die Größe des Kondensators regeln kann, während im ersteren Fall der Temperaturfall
nur von der Wärmekapazität der Glühkathode abhängt.
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Man kann die Veränderung in der Belastung auch durch Beeinflussung
des. Potentials einer Hilfselektrode der Röntgenröhre herbeiführen, da man einer
solchen Hilfselektrode ein positives Potential gegenüber der zuvor eingeschalteten
Glühkathode geben und die Abnahme dieses Potentials während der Aufnahme bewirken
kann. Infolgedessen wird der Entladungsstrom der Röntgenröhre anfangs stärker sein,
als wenn die Hilfselektrode weniger positiv ist.
Als Spannungsquelle
für das Potential der Hilfselektrode kann ein geladener Kondensator dienen. Das
Röntgengerät kann in diesem Fall wie folgt eingerichtet sein: Ein Kondensator ist
mit einem Polwechsler verbunden, der zwei Stellungen einnehmen kann. In einer Stellung
wird der Kondensator mit einer Wechselstroinquelle in Reihe zwischen die Hilfselektrode
und die Glühkathode gelegt. Beim Übergang nach der zweiten Stellung werden die Pole
des Kondensators vertauscht, und die Wechselstromquellewird aus demILondensatorstromkreis
herausgenommen. Ferner ist ein Schalter, mittels dessen die Röhrenspannung eingeschaltet
wird, mit diesem Polwechsler gekuppelt, so daß er gleichzeitig mit der Überführung
des Polwechslers in die zweite Stellung eingeschaltet wird. Die Wirkungsweise dieser
Einrichtung soll weiter unten an Hand der Zeichnung erläutert werden.
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Es ist möglich, daß die Energiequelle der Röntgenröhre nicht fähig
ist, ohne besondere Maßnahmen eine genügend gleichbleibende Spannung zu liefern,
weil der Spannungsverlust in dem Röhrenstromkreis zu groß ist. In diesem Fall ist
es erwünscht, das Gerät mit einer Vorrichtung zu versehen, die bewirkt, daß in dem
Entladungsstromkreis der Röntgenröhre beim Beginn der Belastung eine höhere elektromotorische
Kraft wirkt als beim Ende derselben.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur und
der Belastung. Fig.2 zeigt Kurven, an deren Hand ein Vergleich des neuen Verfahrens
mit dem bis= her ausgeübten gemacht werden soll.
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Fig. 3 ist das Schaltbild eines Gerätes, bei dem der Heizstrom der
Glühkathode beim Einschalten der Röhrenspannung erniedrigt wird, und Fig. 4. ist
ein Schaltbild eines Geräts, bei dein das Potential einer Hilfselektrode die Belastung
regelt.
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In Fig. z bezeichnet z eine Kurve, die den Verlauf der Temperatur
T an der Oberfläche der Anode einer Röntgenröhre in Abhängigkeit von der Zeit t
festlegt, wie dieser sich bei gleichbleibender Belastung in der Praxis zeigt. Die
höchstzulässigeTemperatur von 3ooo°, bei der eine spezifische Belasung von annähernd
Zoo Watt pro Quadratmillimeter zugeführt werden kann, wird erst nach z Sek. völlig
erreicht. Diese Temperatur hat sich jeweils als annähernd proportional mit der gleichbleibenden
spezifischen Belastung erwiesen. Es ergibt sich nun, daß nach 0,03 Sek. die
Temperatur nur die Hälfte des Höchstwertes beträgt; wenn also die Belastung zweimal
größer gewesen wäre, würde in diesem Zeitpunkt die Temperatur schon 3000° betragen
haben. Eine solche Belastung ist jedoch für die Dauer unzulässig, weil sie die Temperatur
bis über 3000° steigern würde.
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Die Erfindung nutzt nun die Erkenntnis aus, daß die Doppelbelastung
der Röhre zugeführt werden kann, sofern man dafür Sorge trägt, daß nach
0,03 Sek: die Temperatur nicht weiter ansteigt. Dies wird nun bei dem Verfahren
nach der Erfindung dadurch bewerkstelligt, daß eine Abnahme der Belastung bis zu
dem dauernd zulässigen Wert bewirkt wird.
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Nach o,oz Sek. beträgt die Temperatur nicht mehr als rooo°. In diesem
Zeitpunkt hätte somit die Belastung sogar dreimal größer als die ständige sein dürfen.
Wenn der Verlauf der durch die Kurve 2 festgelegten Belastung zu verwirklichen wäre,
würde die Temperatur beim Einschalten sofort 3000'
betragen. Dies zu erreichen,
muß für unmöglich gehalten werden, wohl aber wird man z. B. eine Temperaturkurve,
wie die mit 3 bezeichnete, schaffen können, so daß eine gegebene Anzahl die der
Röhre zugeführt wird, in bedeutend kürzerer Zeit erreicht ist.
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In Fig. 2 sind Diagramme dargestellt, mit denen erklärt werden kann,
daß mit einem Gerät nach der Erfindung eine Aufnahme sogar unter Benutzung einer
schwächeren Röhre in kürzerer Zeit hergestellt werden kann als mit einem Gerät,
bei dem die Belastung während der Aufnahme gleichbleibend ist. Die Kurve q. bezeichnet
den Verlauf der Belastung während der Aufnahme in einer Zeit t1. Im Zeitpunkt t1
ist die Belastung auf den dauernd zulässigen Wert Ni herabgefallen. Die Belastung,
mit der angefangen wurde, beträgt N0, und der Verlauf von Ni bis N, ist derart gewählt,
daß die Temperatur an der Anodenfläche den zulässigen Höchstwert nicht übersteigt.
Die der Röhre zugeführte Anzahl mA/Sek. wird durch die senkrecht schraffierte Oberfläche
bezeichnet, welche die Kurve 4. zwischen den Werten N, und Ni einschließt.
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Die Linie 5 bezeichnet die gleichbleibende Energie N2, die einer stärkeren
Röhre dauernd zugeführt werden kann. Nach einer Aufnahmezeit t2 ist eine Anzahl
mA/Sek. N2 # t. erreicht. Entspricht nun die waagerecht schraffierte Oberfläche
des Rechtecks iV2, t= der senkrecht schraffierten, so hat man in beiden Fällen die
gleiche Anzahl mA/Sek. Man kann also durch Herabsetzung der -Belastung bei gleichbleibender
Spannung während der Aufnahme mit einer nur für eine Dauerbelastung Ni geeigneten
Röntgenröhre eine Aufnahme in einer Zeit t1 herstellen, für
die
man. mit einer für eine größere Belastung 11T2 geeigneten Röhre eine längere Zeit
t2 bei gleichbleibender Belastung braucht.
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In Fig. 3 bezeichnet 6 das Wechselstromnetz, von dem aus Strom über
einen Schalter 7 durch einen Leiter 8 einem Hochspannungstransformator 9 für eine
Röntgenröhre io, einem Zeitschalter i i und einem den Heizstrom für die Glühkathode
13 der Röhre , liefernden Transformator r2 zugeführt wird.' Die Anode ist
mit 14 bezeichnet.- Der Zeitschalter i i ist ferner über eine Schaltspule 15
durch
den Leiter i9 mit dem Schalter 7 verbunden. Die Spule r5 wirkt auf einen Doppelschalter
16, der indem Primärstromkreis des Transformators g und in jenem des Transformators
i2 wirkt. Wird der- Schalter 7 eingerückt, so -fließt Strom durch den Leiter 8 nach
dem Transformator 12 .und von dort über den dann noch in der dargestellten Stellung
stehenden Schalter 16 und den Leiter i9 nach dem Netz zurück. Die Glühkathode wird
dabei auf eine Temperatur erhitzt, die für einen Dauerbetrieb viel zu hoch ist.
Betätigt man den Zeitschalter ii, so wird die Spule 15 erregt und der Schalter 16
in seine oberste Stellung gebracht. Hierdurch wird ein Widerstand 17, der
bis dahin durch den Schalter 16 kurzgeschlossen war, in den Primärstromkreis des
Transformators iz eingefügt, so daß der die Glühkathode durchfließende Strom abnimmt
und die Glühkäthodentemperatur von diesem Augenblick an sinkt. Der Widerstand 17
kann so groß gewählt sein, wie dies für eine Dauerbelastung der Röhre erforderlich
ist.
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Gleichzeitig wird der Primärstromkreis des Transformators 9 durch
den Schalter 16 geschlossen, und die Röhre wird somit belastet, und zwar mit einem
sehr starken Strom, da die Glühkathode sehr stark erhitzt ist. Nachdem die Glühkathode
sich etwas abgekühlt hat und die Emission somit verringert ist, wird der Spannungsverlust
im -Transformator 9 kleiner geworden sein, was eine Steigerung der Spannung zwischen
den Elektroden 13 und 14 bedeuten würde. Um jedoch einer zu großen Spannungsveränderung
während der Aufnahme vorzubeugen, geht der Schalter 16
während seiner Bewegung
an einer oder mehreren Zwischenstellungen vorbei, wobei solche Verbindungen hergestellt
werden, daß gleichzeitig mit der Verringerung des Spannungsverlustes eine Verringerung
der elektromotorischen Kraft in dem Entladungsstromkreis der Röntgenröhre entsteht.
Zu diesem Zweck können die Zwischenkontakte mit Anzapfungen des Transformators verbunden
sein oder auch kann, wie dies in der Figur dargestellt ist, ein Widerstand 18 in
den Primärstromkreis des Transformators 9 eingefügt werden. Gegebenenfalls können
mehrere Widerstände zunehmender Größe hintereinander in den Stromkreis eingefügt
werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Schalters 16 muß natürlich mit dem Bedarf
an Spannungsverringerung in der Primärwicklung des Transformators 9 in übereinstimmung
gebracht werden. Wenn der Transformator 9 wenig Spannungsverlust hat, kann die Vorrichtung
zum Verändern der elektromotorischen Kraft während der Belastungsperiode wegfallen.
Eine starke Spannungsveränderung während der Aufnahme ist jedoch der Qualität des
Bildes sehr nachteilig.
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In Fig. q. wird von' dem Netz 2o aus Strom durch den zweipoligen Schalter
21 und die Leiter22 und 23 der Primärwicklung24 eines Transformators zugeführt,
der eine Sekundärwicklung 25 und eine Tertiärwicklung 26 besitzt. Die Wicklung 25
versorgt die Glühkathode 27 einer Röntgenröhre 28 mit Strom, die ferner mit einer
Anode 29 und einer Hilfselektrode 30 versehen ist. Die Anode und die Kathode
sind mit der Sekundärwicklung eines Transformators 31 verbunden, dessen Primärwicklung
mit einem Ende mit dem Leiter 22 verbunden ist. Die Kathode ist bei 43 mit der Erde
verbunden.
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Das Gerät enthält einen dreipoligen Polwechsler, dessen Kontakte mit
35 bis 4o einschließlich zahlenmäßig bezeichnet sind. Die Kontakte 38, 39 und 40
können wahlweise je mit 32, 3.3 und 34 oder je mit 35, 36 und 37 in Verbindung gebracht
werden. In der dargestellten Stellung ist letzteres der Fall. Der Kontakt 35 wird
nicht benutzt. 38 ist mit dem freien Ende des Transformators 31 verbunden. Die Kontakte
39 und 40 sind mit je einer Elektrode eines Kondensators 41 verbunden. Kontakt 36
steht mit der Transformatorwicklung 26 in Verbindung, deren anderes Ende mit der
Glühkathode der Röntgenröhre verbunden ist. Der Kontakt 37 ist mit der Hilfselektrode
3o verbunden, der Kontakt 33 ebenso, aber über einen Widerstand 42. Der Kontakt
34 ist mit einem Ende der Wicklung 26 verbunden, das an der Glühkathode liegt. Endlich
ist der Kontakt 32 mit dem Leiter 23 verbunden.
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Schaltet man den zweipoligen Schalter 21 eint, so wird die Glühkathode
der Röntgenröhre auf die erforderliche Temperatur gebracht. Ferner kann die Wicklung
26 über die Kontakte 36 und 39 durch den Kondensator 41 und dann über die Kontakte
4o und 37 die Hilfselektrode 30 mit Strom versorgen. Diese wird wie eine
Anode eines Gleichrichters mit der Glühkathode 27 wirken, und der Strom wird durch
diesen Gleichrichter nach der Wicklung 26 fließen. Infolgedessen ladet sich der
Kondensator 41 auf eine Spannung,
die nach einigen Perioden des
Wechselstromes, deren Anzahl von dem Widerstand in dem Ladestromkreis abhängt, annähernd
den Höchstwert der in der Wicklung 26 hervorgerufenen Spannung erreicht.
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Wünscht man nun die Aufnahme herzustellen, so wird der Polwechsler
umgelegt, so daß Strom von dem Leiter 23 über die Kontakte 32 und 38 nach dem Transformator
31 fließen kann und die Röhre unter Spannung kommt. Die Glühkathode bleibt eingeschaltet,
so daß also der Entladungsstrom die Röhre durchfließen kann. Der Kondensator 41
ist nun über die Kontakte 39 und 33 einerseits und die Kontakte q.o und 34 andererseits
mit der Hilfselektrode 3o bzw. mit der Kathode 27 verbunden. Der Unterschied gegenüber
den vorigen Stellungen ist der, daß die Wicklung 26 ausgeschaltet und daß nun die
positiv geladene Elektrode des Kondensators mit der Hilfselektrode verbunden ist.
Die Hilfselektrode hat somit ein positives Potential gegenüber der Glühkathode,
und die Bedingungen, welche die von der Röhre aufgenommene Energie beeinflussen
(Spannung, Glühkathodentemperatur, gegenseitige Stellung der Elektroden), können
leicht derart gewählt werden, daß in diesem Zustand die Belastung gegenüber derjenigen,
welche auf die Dauer von der Röhre vertragen wird, um das Mehrfache erhöht wird.
Der Kondensator wird sich jedoch über den Raum zwischen der Hilfselektrode
30 und der Glühkathode 27 entladen, und deshalb wird das positive Potential
der Hilfselektrode während der Belastungszeit sinken, so daß die Belastung der Röntgenröhre
abnimmt und verhütet wird, daß eine Steigerung der Anodentemperatur über den zulässigen
Höchstwert eintritt. Wenn man den Kondensator 41 oder den Widerstand 42 oder beide
veränderlich macht, kann man die Geschwindigkeit, mit der die Belastung abnimmt,
regeln. Gewünschtenfalls kann auch die Größe der Belastung, mit der angefangen wird,
regelbar sein; zu diesem Zweck braucht man nur den Transformator :26 regelbar auszubilden.