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Röntgenstrahlen
werden bei einer Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet,
wie beispielsweise medizinischer Diagnose und Behandlung, einer Überprüfung von
Teilen, um versteckte Defekte zu finden, ein Überprüfen von Gepäck und anderen Gegenständen in
sensiblen Bereichen (wie beispielsweise Flughäfen) und ein Studieren von sehr
kleinen Partikeln.
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Eine
Röntgenstrahlquelle
umfasst typischerweise eine Röntgenstrahlröhre, in
der Elektronen von einer Glühkathode
emittiert werden. Die emittierten Elektronen werden durch eine große Potentialdifferenz
beschleunigt, so dass die Elektronen auf eine Anode aufschlagen.
Die Elektronen beschießen
die Anode mit einer ausreichenden Energie, um innere enger gebundene
Elektronen von Atomen in der Anode zu verschieben. Wenn diese angeregten
Atome zu ihrem Grundzustand zurückkehren,
emittieren dieselben eine elektromagnetische Strahlung mit kurzer Wellenlänge, die
als Röntgenstrahlen
bekannt ist. Herkömmliche
Röntgenstrahlquellen,
die Röntgenstrahlröhren umfassen,
neigen dazu, größenmäßig relativ
groß zu
sein, was die Weise beschränken kann,
auf die derartige Röntgenstrahlquellen
verwendet werden können.
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Partikelbeschleuniger,
wie beispielsweise lineare Beschleuniger, werden manchmal als Röntgenstrahlquellen
zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
relativ hoher Energie verwendet. Derartige Partikelbeschleuniger
neigen jedoch dazu, relativ teuer zu sein, und werden somit nicht
häufig
verwendet.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung,
ein Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
und ein Röntgenstrahlquellengerät mit verbesserten
Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1, ein Verfahren gemäß Anspruch
21 und ein Röntgenstrahlquellengerät gemäß Anspruch
29 oder Anspruch 32 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Abschnitt einer Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung,
die einen Elektronenstrahlgenerator umfasst, der zwei parallele
Halbleiterchips aufweist, gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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2 Wege
von emittierten Elektronen, die in dem Elektronenstrahlgenerator
von 1 erzeugt werden, wobei die emittierten Elektronen
auf ein Zielobjekt aufschlagen, um eine Erzeugung von Röntgenstrahlen
von dem Zielobjekt zu bewirken, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
und
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3 einen
halbleiterbasierten Kaltkathodenfeldemitter, der auf einem der Halbleiterchips
in dem Elektronenstrahlgenerator von 1 gebildet ist,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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1 stellt
einen Abschnitt einer Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 dar,
die eine Trägerplatine 101 und
einen Elektronenstrahlgenerator 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel
aufweist, der an der Trägerplatine 101 befestigt
ist. Der Elektronenstrahlgenerator 102 erzeugt einen Ausgangsstrahl 112 von
Elektronen. Die Elektronen in dem Ausgangsstrahl 112 beschießen ein
Zielobjekt 108. Ansprechend auf den Beschuss der Elektronen
erzeugt das Zielobjekt 108 Röntgenstrahlen 114,
die durch ein Fenster 111 eines Gehäuses 110 des Elektronenstrahlgenerators 102 abgestrahlt
werden. Die innere Kammer 120 des Gehäuses 110 umfasst ein Vakuum.
Es ist anzumerken, dass ein Abschnitt des Gehäuses 110 in der Ansicht
von 1 weggeschnitten wurde, um die Komponenten der
Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 im
Inneren des Gehäuses 110 darzustellen.
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Das
Zielobjekt 108 kann aus einer Anzahl von unterschiedlichen
Materialien gebildet sein, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän oder ein
jegliches anderes Material, das Röntgenstrahlen ansprechend auf
einen Aufschlag durch Elektronen erzeugt. Ein Röntgenstrahl umfasst eine elektromagnetische Strahlung,
die eine kurze Wellenlänge
aufweist, gewöhnlich
weniger als 100 Angström,
und die durch ein Beschießen
eines Zielobjekts mit schnellen Elektronen in einem Vakuum oder
durch einen Übergang von
Elektronen zu niedrigeren Energiezuständen erzeugt wird.
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Ein
Magnetgerät 104 ist
in der Nähe
des Elektronenstrahlgenerators 102 platziert. Bei der dargestellten
Implementierung ist das Magnetgerät 104 durch Magnetträgerstrukturen 106 in
Position gehalten. Bei der Ausrichtung von 1 ist das
Magnetgerät 104 über dem
Elektronenstrahlgenerator 102 positioniert. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
jedoch kann das Magnetgerät 104 in
einer unterschiedlichen Position mit Bezug auf den Elektronenstrahlgenerator 102 platziert
sein, wie beispielsweise unter dem Elektronenstrahlgenerator 102,
an einer Seite des Elektronenstrahls 102 oder in einer
jeglichen anderen Position mit Bezug auf den Elektronenstrahlgenerator 102.
Das Magnetgerät 104 kann
ein Elektromagnet sein, der ein Magnetfeld ansprechend auf eine
elektrische Eingangsenergie erzeugt. Alternativ kann das Magnetgerät 104 ein
Permanentmagnet sein.
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Der
Elektronenstrahlgenerator 102 umfasst zwei im Allgemeinen
parallele Halbleiterstrukturen, die bei einer Implementierung zwei
Halbleiterchips 122 und 124 umfassen. Die Halbleiterchips 122 und 124 sind
voneinander beabstandet.
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Die
Beabstandung zwischen den Halbleiterchips 122 und 124 ist
durch die Verwendung von Trägersäulen 126 beibehalten.
Bei anderen Implementierungen können
andere Typen von Trägermechanismen
verwendet werden, um die relativen Positionen der Halbleiterchips 122 und 124 beizubehalten. Obwohl
der Elektronenstrahlgenerator 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel
zwei Halbleiterchips umfasst, können
andere Ausführungsbeispiele
einen Halbleiterchip oder mehr als zwei Halbleiterchips verwenden.
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Wie
es in 2 detaillierter gezeigt ist, sind die Halbleiterchips 122 und 124 angeordnet,
derart, dass Oberflächen 204 und 206 der
Chips 122 bzw. 124 mit Bezug aufeinander parallel
sind. Ein halbleiterbasierter Feldemitter 220 ist auf der
Oberfläche 206 des
Halbleiterchips 124 gebildet. Der halbleiterbasierte Feldemitter 220 umfasst
eine Kaltkathode (auch als eine Feldemissionskathode bezeichnet). Der
Feldemitter 220 weist zugeordnete Elektroden auf, die ein
Gitter oder einen Extrahierer 208, ein erstes Linsenelement 210 und
ein zweites Linsenelement 212 umfassen. Bei anderen Implementierungen kann
lediglich ein Linsenelement oder können mehr als zwei Linsenelemente
verwendet werden.
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Das
Gitter oder der Extrahierer 208 extrahiert Elektronen durch
ein Erzeugen eines elektrischen Felds, derart, dass Elektronen durch
eine Potentialbarriere tunneln und von dem Halbleitermaterial emittiert
werden, das ein Teil des Halbleiterchips 124 ist. Das erste
Linsenelement 210 wirkt sowohl als ein Fokussierelement
als auch als ein Aperturanschlag, um den Akzeptanzwinkel eines emittierten
Strahls von Elektronen zu begrenzen. Das zweite Linsenelement 212 hilft
den Strahl von Elektronen zu kollimieren, der durch das Gitter oder
den Extrahierer 208 extrahiert wird. Ein Kollimieren von
Elektronen bezieht sich auf ein Veranlassen, dass sich die emittierten
Elektronen in parallelen Wegen bewegen. Wie dieselben hier verwendet
werden, umfas sen ein „Strahl
von Elektronen" oder
ein „Elektronenstrahl" einen oder mehrere Wege,
durch die sich Elektronen bewegen.
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Die
Elektroden, die dem halbleiterbasierten Feldemitter 220 zugeordnet
sind, werden verwendet, um den emittierten Strahl von Elektronen
maßvoll
zu beschleunigen, um den Elektronen eine Anfangsgeschwindigkeit
zu geben. Auf der Stufe, wo die Elektronen gerade von dem Feldemitter 220 emittiert
werden, besitzen die Elektronen eine relativ niedrige Energie. Ein
Elektronenablenkungsmechanismus umfasst eine oder mehrere Ablenkungseinrichtungselektroden 214 (214A, 214B und 214C dargestellt), um
einen Weg des Elektronenstrahls mit niedriger Energie abzulenken,
so dass die Elektronen gerichtet sind, um sich in einer Ebene zu
bewegen, die allgemein parallel zu den Oberflächen 204 und 206 der Halbleiterchips 122 bzw. 124 ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Elektroden 214A, 214B und 214C elektrostatische
Elektroden, die ein elektrisches Feld erzeugen, um eine elektrostatische
Ablenkung der Elektronen durchzuführen. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel
umfasst der Ablenkungsmechanismus Magnetelemente, um ein Magnetfeld
zu erzeugen, um den Weg des Elektronenstrahls abzulenken. Die Elektronen
werden durch den Ablenkmechanismus abgelenkt, um sich entlang Wegen
zu bewegen, die allgemein als 218 angegeben sind. Die Wege 218 sind
allgemein in einem Winkel von nicht Null (wie beispielsweise 90°) mit Bezug auf
die ursprüngliche
Richtung der emittierten Elektronen.
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Die
Elektronen, die sich entlang den Wegen 218 bewegen, sind
zu einem Beschleunigerabschnitt 230 hin gerichtet. Der
Beschleunigerabschnitt 230 umfasst einen oberen Satz von
Elektroden 232 und 234 (die auf dem Halbleiterchip 122 gebildet
sind) und einen unteren Satz von Elektroden 236 und 238, (die
auf dem unteren Halbleiterchip 124 gebildet sind). Die
Elektroden 232, 234, 236 und 238 sind
jeweils allgemein D-förmige
Elektroden. Wechselspannungssignale (AC-Signale; AC = Alternating
Current) werden an die Elekt roden 232, 234, 236 und 238 angelegt.
Bei einer Implementierung sind die AC-Signale im Allgemeinen Rechteckwellensignale,
die zwischen einer positiven Polarität und einer negativen Polarität wechseln.
Alternativ können
die AC-Signale sinusförmige Signale
sein.
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Innerhalb
jedes Satzes von Elektroden ist das AC-Signal, das an eine der Elektroden
angelegt ist, mit Bezug auf die andere Elektrode in dem Satz außer Phase
(bei einem Beispiel 180° außer Phase). Falls
somit z. B. bei einem gegebenen Zeitpunkt das AC-Signal, das an
die Elektrode 232 in dem oberen Satz angelegt ist, positiv
ist, dann ist das AC-Signal, das
an die Elektrode 234 angelegt ist, negativ (und umgekehrt).
Falls auf eine ähnliche
Weise in dem unteren Satz das AC-Signal, das an die Elektrode 236 angelegt
ist, positiv ist, dann ist das AC-Signal, das an die Elektrode 238 angelegt
ist, negativ (und umgekehrt). Folglich ist ein elektrisches Feld
zwischen den Elektroden 232 und 234 erzeugt, und
ein elektrisches Feld ist zwischen den Elektroden 236 und 238 erzeugt.
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Zusätzlich ist
ferner ein Magnetfeld 240 in eine Richtung angelegt, die
allgemein senkrecht zu den Oberflächen 204 und 206 der
Halbleiterchips 122 bzw. 124 ist. Das Magnetfeld 240 wird
durch das Magnetgerät 104 (1)
angelegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigerabschnitt 230 ein
Zyklotron. Bei anderen Ausführungsbeispielen
können
andere Typen von Beschleunigern verwendet werden.
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Bei
einem Zyklotron bewegt sich ein geladenes Partikel (in diesem Fall
jedes der Elektronen, die sich entlang der Wege 218 bewegen)
in einem allgemein gekrümmten
Weg (als 242 angegeben) auf Grund des Vorhandenseins des Magnetfelds 240. Die
D-förmigen
Elektroden 232, 234, 236 und 238, die
in dem Magnetfeld 240 eingebettet sind und durch eine AC-Anregung bei einer
vorbestimmten Frequenz getrieben sind, bewirken, dass die Elektronen
eine Reihe von Impulsen empfangen, die bewirken, dass die Elektronen
mit jedem Zyklus der elektrischen Felder an Energie gewinnen, die
durch die Elektroden 232, 234, 236 und 238 erzeugt
werden. Das Ergebnis ist ein hochenergetischer Strom von Elektronen,
die aus der Kante des Magnetfelds 240 entlang Wegen austreten,
die allgemein als 244 angegeben sind. Die austretenden
Elektronen entlang der Wege 244 bilden den Elektronenstrahl 112,
der in 1 gezeigt ist.
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Das
elektrische Feld, das zu dem Gitter oder dem Extrahierer 210 in
dem Feldemitter 220 geliefert wird, wird durch eine oder
beide von elektronischen Schaltungen 246 und 248 geliefert,
die auf den Halbleiterchips 122 bzw. 124 gebildet
sind. Die elektronischen Schaltungen 246 und 248 liefern
ferner die AC-Signale zu den jeweiligen D-förmigen Elektroden 232, 234, 236 und 238.
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Die
Betriebsfrequenz des Zyklotrons (das bei einem Ausführungsbeispiel
den Beschleunigerabschnitt 230 bildet) basiert zumindest
teilweise auf der erwünschten
kinetischen Energie oder kinetischen Soll-Energie jedes Elektrons.
Die Betriebsfrequenz des Zyklotrons ist aus einer Zyklotron-Gleichung abgeleitet,
die auf verschiedenen Eingangsparametern basiert, einschließlich der
kinetischen Energie (KE, in keV oder tausend Elektronenvolt ausgedrückt) des Elektrons,
der Ladung des Elektrons (q), der Restmasse (m0)
des Elektrons, des angelegten Magnetfelds (B) und der Lichtgeschwindigkeit
(c). Basierend auf den Eingangsparametern wird die Betriebsfrequenz
(f) wie folgt berechnet: f = (q·B)/[γ·(2·π·m0·109)], wobei γ = [(KE·1,6·10–16)/m0·c2] + 1.
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Die
Betriebsfrequenz (f) bestimmt die Frequenz der AC-Signale, die an den
Beschleunigerabschnitt 230 angelegt werden.
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Herkömmlicherweise
würde diese
Frequenz (f) den konstanten Wert von q·B/(2·π·m0)
aufweisen (was die nichtrelativistische Zyklotronfrequenz ist). Wenn
jedoch die Geschwindigkeit der Elektronen über 1 % der Lichtgeschwindigkeit
oder so hinaus wächst,
erhöht
sich auch die scheinbare Masse (m0·c2). Folglich muss entweder die Frequenz des elektrischen
Anregungsfelds oder die Stärke
des Magnetfelds, das oben erörtert
ist, demgemäß eingestellt
werden, so dass die Elektronen bei dem Zwischenraum zwischen den
Paaren von Elektroden (232, 234, 236, 238 in 2)
gleichphasig mit dem elektrischen Anregungsfeld ankommen. Bei dem Vorhandensein
eines konstanten Magnetfelds 240 ( 2) kann
das elektrische Feld, das durch die Elektroden 232, 234, 236, 238 angelegt
wird, zyklisch verändert
werden, um Stöße (Bursts)
von Elektronen zu erzeugen.
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Falls
jedoch das Magnetfeld 240 gemäß der folgenden Beziehung radial
verändert
wird: B(r) = B0/γ = B0/√1 – f·2·π·r/c² wobei B das Magnetfeld
ist, r der Radius von einem Punkt 241 in 2 ist
und B0 die nicht-relativistische Zyklotronfrequenz
ist, bleiben die Elektronen mit dem elektrischen Anregungsfeld gleichphasig,
wenn das angelegte elektrische Feld eine konstante Frequenz beibehält. Der
Betrag des Magnetfelds B verändert sich
von dem Punkt 241 über
eine Ebene parallel zu der Oberfläche der Halbleiterstruktur 122.
In diesem Fall werden die Elektronen kontinuierlich und nicht in Stößen emittiert.
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Ein
derartiges Konturieren des Magnetfelds B(r) kann mit der Struktur,
die in 2 gezeigt ist, auf Grund der relativ kleinen Größe der Struktur
effizienter vorgenommen werden. Zum Beispiel können magnetfeldinduzierende
Spulen, die auf einem oder beiden der Halbleiterchips 122 und 124 unter
Verwendung von Halbleiterherstellungsprozessen gebildet sind, in
der Nähe
der Elektroden 233, 234, 236, 238 platziert
sein. Derartige Spulen können
verwendet werden, um ein externes einheitliches Magnetfeld vorzuspannen
oder um das Magnetfeld in seiner Gesamtheit zu erzeugen.
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Wie
es oben angemerkt ist, umfasst die innere Kammer 120 (1)
der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 ein
Vakuum. Die Elektronen, die durch den Feldemitter 220 emittiert
werden und durch den Ablenkmechanismus abgelenkt werden, bewegen
sich in dem Vakuum entlang Wegen 218, 242 und 244.
Das Vakuum wird zu der Zeit einer Herstellung der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 bereitgestellt
und wird über
die Lebensdauer der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung
hinweg durch ein Verwenden von Gettern (nicht gezeigt) beibehalten.
Getter sind entworfen, um Verunreinigungsgase im Innern der Kammer 120 (1)
der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 zu
entfernen. Der emittierte Elektronenstrahl kann ferner ein Teil
des Getter-Geräts
sein, da die Elektronenstrahlen dazu neigen, bei einem Entfernen
von Verunreinigungsgasen zu helfen.
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3 zeigt
den halbleiterbasierten Feldemitter 220 ( 2)
detaillierter. Eine Feldemitterspitze 222 steigt von einer
Kathode 224, die in dem Halbleiterchip 124 gebildet
ist, zu einem scharfen Punkt an. Die Feldemitterspitze 222 ist
aus einem Halbleitermaterial gebildet, wie beispielsweise Silizium
usw. Alternativ kann die Feldemitterspitze 222 aus einem Metall
gebildet sein. Die Kathode 224 ist elektrisch leitfähig und
kann aus Silizium, Polysilizium, Metall oder einem jeglichen anderen
elektrisch leitfähigen Material
gebildet sein. Ein örtlich
begrenztes elektrisches Feld ist in der Nähe der Feldemitterspitze 222 durch
eine Anode 226 angelegt, die eine Apertur 228 über dem
und um den Punkt der Feldemitterspitze 222 herum aufweist.
Das elektrische Feld wird zwischen der Kathode 224 und
der Anode 226 erzeugt. Das angelegte elektrische Feld bewirkt,
dass Elektronen von dem scharfen Punkt der Feldemitterspitze 222 durch
ein quantenmechanisches Tunneln durch eine Barriere mit gesenkter
Potentialenergie austreten. Der Feldemitter 222, die Kathode 224 und
die Anode 226 bilden kollektiv das Gitter oder den Extrahierer 208.
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Weil
die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 eine
Halbleitertechnologie einsetzt, kann die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 viel kleiner
als herkömmliche
Röntgenstrahlquellen
hergestellt sein (wie beispielsweise die, die Röntgenstrahlröhren verwenden).
Die kleinere Größe der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 ermöglicht,
die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 in kleinen
Räumen
zu verwenden, wie beispielsweise im Inneren eines menschlichen Körpers, in
engen Räumen
einer Maschinerie oder anderen Strukturen, usw. Die kleinere Größe der Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 bedeutet
ferner, dass dieselbe leichter im Gewicht ist und tragbar gemacht
werden kann.
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Zusätzlich kann
die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 durch
ein Einsetzen einer Halbleitertechnologie auf eine relativ wirtschaftliche Weise
hergestellt werden. Ferner liefert eine Verwendung einer halbleiterbasierten
Technologie eine Hochgeschwindigkeitsschaltungsanordnung, die relativ
wenig Leistung verbraucht. Die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 kann
schneller eingeschaltet werden als herkömmliche Röntgenstrahlquellen. Ferner
müssen
durch ein Verwenden eines Beschleunigerabschnitts, der auf der Zyklotrontechnologie
basiert, große
Spannungen, die bei herkömmlichen
Röntgenstrahlröhren verwendet
werden, nicht eingesetzt werden. Die kleineren Spannungen führen zu
einem reduzierten Leistungsverbrauch sowie einer verbesserten Sicherheit.
Durch ein Reduzieren eines Leistungsverbrauchs kann die Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung 100 gemäß einigen
Implementierungen sogar von Batterien betrieben werden.
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In
der vorhergehenden Beschreibung sind zahlreiche Details dargelegt,
um ein Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu liefern. Es ist jedoch Fachleuten
auf dem Gebiet klar, dass die vorliegende Erfindung ohne diese Details
praktiziert werden kann. Während
die Erfindung mit Bezug auf eine Anzahl von Ausführungsbeispielen offenbart
wurde, erkennen Fachleute auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen
und Variationen von denselben. Die beigefügten Ansprüche sollen derartige Modifikationen
und Variationen abdecken, die in die echte Wesensart und den Schutzbereich
der Erfindung fallen.