Röntgengerät mit selbsttätiger Regelung des Röhrenstromes. Die Belastbarkeit (die Kilowattzahl) bei Röntgenröhren für Diagnostik ist von ver schiedenen Faktoren abhängig, wie z. B. von der Grösse des Brennfleckes, von der Art, wie die Wärme des Brennfleckes abgeleitet wird, von der Wärmekapazität der Anode und von dem Werkstoff, aus dem die Anode besteht.. Je länger die Belastung dauert, um so kleiner ist diese Belastbarkeit. Wenn eine Röntgen röhre während einer Sekunde höchstens mit N kW belastet werden darf, kann die Bela stung während 0,1 Sek z. B. 1,4 N betragen, während eine Belastung, welche 5 Sek. an dauert, z. B. nicht über 0,6 N kW hinaus gehen darf.
Die Zahl N kann für verschie dene Röhrenarten wesentlich verschieden sein; im allgemeinen liegt sie zwischen 5 und 20. Aber auch die von der Zeit abhängigen Fak toren (im erwähnten Beispiel 1;4 für 0,1 Sek. und 0,6 für 5 Sek.) gehen für die verschiede nen Röhrenarten verhältnismässig stark aus einander.
Neuere Röntgengeräte besitzen eine Regel vorrichtung für die Belastungsgrössen der Röhre, durch welche die Röhrenbelastung selbsttätig mit der Belastungskennlinie in Übereinstimmung gebracht wird. Hierbei wird der Strom in Abhängigkeit von der Bela stungsdauer und von der meist zwischen 50 und 100 kV regelbaren Röhrenspannung ein gestellt..
Die schaubildliche Fig. 1 der Zeichnung ist eine dreidimensionale, graphische Darstel- lung der Belastbarkeit einer Röntgenröhre. Die Ordinate eines jeden Punktes der gewölb ten Oberfläche ABCD ist ein Mass für die höchstzulässige Stromstärke bei einer Span nung und während einer Zeit, deren Werte durch die Abstände von den beiden senkrech ten Koordinatenebenen bedingt sind. Man ist bestrebt, mittels der von der selbsttätigen Regelvorichtung eingestellten Stromstärke, die durch diese Ebene bedingten Werte ange nähert zu erreichen.
Dies wird in der Praxis unter Zuhilfenahme eines veränderlichen Widerstandes im Primärstromkreis des Heiz- transformators oder auch durch die Einschal tung einer Spannungsquelle durchgeführt, welche die \Virkung des Heiztransformators unterstützt. oder schwächt. Das Regelorgan dieses Widerstandes oder die Schalter, mittels deren diese Spannungsquelle eingeschaltet wird, werden mit dem Spannungs- oder dem Belastungsdauerregelorgan oder auch mit beiden gekoppelt.
Die Regelung der Stromstärke wird meistens stufenweise durchgeführt. Fig. 1 ver anschaulicht, wie in diesem Fall die verschie denen Stufen gewählt sein können, und zwar in drei Stufen nach Massgabe der gewählten Zeit, so da.ss die Stromstärke auf neun Werte einstellbar ist.
Nun ist die Wirkung der Röntgenstrahlen auf den photographischen Film, also die Schwärzung, annähernd proportional mit _T. <I>t.</I><B>_UP,</B> wenn<I>I</I> die Röhrenstromstärke,<I>t</I> die Belastungsdauer und U die Rönt.genröhren- spannung darstellen. p ist ein Exponent, der erfahrungsgemäss zwischen 4 und 6 liegt. Die Faktoren<I>I. t</I> (ausgedrückt in mA. sek) und Z' (ausgedrüekt in kV) sind also die Grössen, durch welche die geeignetste Belichtung des Films bedingt ist.
Es ist eine Unvollkommenheit der meisten Röntgengeräte, dass die Röhrenspannung bei Änderung des Milliamperesekunden-Produktes nicht konstant bleibt. Die Ursache dafür liegt an den innern Widerständen des Hoehspan- nungsgenerators und des Speisenetzes. Selbst wenn eine selbsttätige Regelung entsprechend der Fläche ABCD der Fig. 1 (für Nullast) ganz erfüllt würde, führte der Spannungs verlust im Gerät eine Verringerung der Röh renspannung herbei.
Dieser übt einen sehr starken Einfluss auf die Schwärzung aus, da diese durch die vierte Potenz von U bedingt ist. 1Tm mit zwei verschiedenen Geräten bei gleicher Einstellung der Belastungsgrössen photographische Röntgenbilder herzustellen, die in gleichem Masse geschwärzt sind, ist es somit erforderlich, die tatsächlich auftreten den Röhrenspannungen zu kennen.
Deren Ermittlung ist jedoch meistens nur unter Zuhilfenahme von Eichkurven möglich. Man hat zwar versucht, den Spannungsverlust zu verringern, indem der innere Widerstand des Gerätes klein gehalten wurde. Dieses Ver fahren führt nicht nur zu grossem Material aufwand und kann infolge des niedrigen Wer tes des Widerstandes zu Schäden in der Röhre führen, wenn in ihr Störungen auftreten, sondern es hat auch nur eine mangelhafte Wirkung, wenn das Speisenetz einen hohen Widerstand besitzt.
Es ist. auch vorgeschlagen worden, die tatsächlich auftretende Röhrenspannung mit tels einer Anzeigevorrichtung ablesbar zu machen, indem von dem Wert der Nullast- spa.nnung ein Betrag abgezogen wurde, wel cher der Stärke des Röhrenstromes propor tional ist. Die auf diese Weise erzielten Er gebnisse können nur genau sein, wenn es sieh um einen Spannungsverlust handelt, der pro portional mit der Röhrenstromstärke ist, was bei einem Netz mit erheblichem Widerstand, wie in der Praxis meistens vorgefunden wird, nicht der Fall ist.
Aus demselben Grunde ergeben sich durch Ausgleich des Spannungsverlustes, indem eine mit dem Strom proportionale Korrektions- spannung an den Primärkreis gelegt wird, keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Wie aus Fig. 1 ersichtlieh, muss diese Korrektionsspan- nung im übrigen noch je nach der gewählten Spannung und Zeit verschieden gewählt wer den.
Bei jeder bekannten Massnahme zum Aus gleich oder zur Anzeige des Spannungsver lustes, bei der von der Stärke des Röhren stromes ausgegangen wird, wurde stets ange nommen, dass der Netzwiderstand vernach- lässigbar ist. In der Praxis ist dies nun ein mal nicht der Fall, und aus diesem Grunde mussten die bisher versuchten Lösungen einen Misserfolg erleiden.
Die Erfindung schafft. mit geringen Kosten Verbesserung in dieser Hinsicht. Bei der Erfindung wird der Spannungsverlust berücksichtigt und ihr liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Spannungsverlust bei einem bestimmten Verhältnis zwischen dem (von dem Netz aus gesehen) vor dem die Spannung regelnden Spartransformator liegenden Wi derstand und dem auf diesen Transformator folgenden Widerstand im ganzen Regelbereich der Spannung annähernd konstant. ist, wenn die Leistung, mit der die Röhre belastet wird, konstant gehalten wird.
Es ergibt. sich, dass dies die Möglichkeit bietet, den Spannungs- verlust im ganzen Bereich der Spannungs regelung nahezu auszugleichen, indem die Primärspannung des Hochspannungstransfor mators um einen von der Leistung abhängigen Betrag erhöht. wird.
Der Grundsatz dieses Spannungsausglei ches soll durch nachstehende Auseinander setzungen näher erläutert werden.
Fig. 2 stellt das stark vereinfachte Schalt bild der Spannungsquelle eines Röntgenge rätes dar. Darin bezeichnen T, den Spar transformator und T2 den Hochspannungs transformator. UN bezeichnet die Netzspan nung und R@;
den -Widerstand des Netzes bis zum Spartransformator, RA den auf die Aus gangsseite übertragenen Widerstand des Spartransformators und RF, den auf die Hochspannungsseite des Hoehspannungstrans- formators übertragenen Widerstand dieses Transformators einschliesslich der etwaigen Gleichriehterröhren. des Spartransformators, durch dessen Varia
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ist das Übersetzungsverhältnis tion die Spannung an der Röntgenröhre N ariiert wird.
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ist das konstante Übersetzungs verhältnis des Hochspannungstransformators.
Der Gesamtwiderstand der Schaltung be zogen auf die Hochspannungsseite des Trans formators T.. wird wie folgt berechnet
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Wird XR als Funktion der Spannung U#_ aufgetragen, so ergibt sich die Summe einer konstanten Komponente R1, -I- RAXH und einer quadratischen Komponente
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hie sie in Fig. 3a dargestellt ist. Der Regelbereieh, in dem bei einer be stimmten Belastung (kW) der Spannungs verlust I. R konstant sein soll und der sich z.
B. von 50 bis 100 kV für U2 erstreckt, ist. in Fig. 3a aufgetragen. Die Grenzwerte dieses Bereiches sind<I>I</I> und II. Da die Be lastung konstant sein muss, ändert sich über dieser Strecke die Stromstärke um einen Fak tor 2, wie dies in Fig. 3b angedeutet ist.
Damit der Spannungsverlust über die ganze Regelstrecke konstant wird, muss zu nächst das Produkt<I>I. R</I> für den Punkt<I>I</I> gleich dem für den Punkt II gültigen Pro dukt sein. Nennt man den niedrigsten Wert der Röhrenspannung in dem Gebiet, in dem mit einem konstanten Spannungsverlust ge regelt werden muss, 1T2. und den Höchswert TT21, und die zu diesen Spannungen gehören den Röhrenströme 1" und I1, (zwischen denen also die Beziehung bestehen soll) dann kann die Bedingung
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1.
R = konstant für die beiden Punkte, also konstanter Span nungsverlust, wie folgt geschrieben werden:
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und bei Einsetzen von
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ergibt sich
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Der Faktor T;2.. U211 kann einem Wert von etwa 15.108 bis 30.10g Volt2 entSpre- ehen.
Unter diesen Bedingungen ergibt sieh, wenn als Parameter die Belastung N ange nommen wird, dass, wie aus Fig. 4 ersicht lich ist., die mit Tj H bezeichnete Röhrenspan nung als Funktion der Primärspannung Ui des Hochspannungstransformators einen ge radlinigen Verlauf aufweist.
Bei obergang von der Belastung NO zu einer höheren Be lastung Ni, N", N3 muss die Spannung Ui um die Beträge d U1 oder<I>8</I> U#, bzw. d U3, welche den jeweiligen Spannungsverlusten ent sprechen, geändert werden. Die Verluste sind annähernd unabhängig von der Höhe der Röhrenspannung.
Fig. 5 stellt den Verlauf der den Span- nungsverlust kompensierenden Hilfsspannung <I>8 T'</I> als Funktion der Belastung<I>N</I> für ein bestimmtes, passend bemessenes Netz dar, und zwar für ein solches, dass die meisten Netze durch einen Ballastwiderstand in Überein- stimmeng mit ihm gebracht werden können. In der Praxis ist solches passendes Netz z. B. durch einen innern Widerstand von 1 Ohm und eine Spannung von 380 Volt oder 0,30 Ohm und 220 Volt -charakterisiert. Die innern Widerstände des Gerätes sind dabei absicht lich derart bemessen, dass die Gleichung (1) erfüllt wird.
'Sind diese Bedingungen erfüllt, so kann der Spannungsverlust auf einfache Weise ausgeglichen werden. Da sich die Leistung, mit der die Röntgenröhre belastet wird, mit der Belastungsdauer ändern muss, braucht nur das Zeiteinstellorgan mit einem entspre- ehenden Organ zur Regelung der Hilfsspan nung gekoppelt zu werden. Dies wird an Hand der Fig. 5 näher erläutert. Beispiels weise ist die Belastung IV I, bei der kürzesten zu wählenden Belastungszeit derart bemessen, dass zum Ausgleich des Spannungsverlustes der Betrag<I>8</I> LT" hinzugesetzt werden muss.
Mit wachsender Zeit sinkt die Leistung bis auf die mit NL bezeichnete herab, welche der längsten Zeit entspricht und zu der zum. Aus gleich die Spannung d LTL zugesetzt werden muss.
Um die technischen Mittel zur Durehfüh- rung der Regelung und die zu schaltende Lei stung klein zu halten, wird die Ausgleichs spannung in eine konstante Komponente A und eine mit. der Zeit zwischen <I>-B</I> und<I>+B</I> veränderliche Komponente zerlegt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn wenigstens zwei Röhren für verschiedene Leistung an dasselbe Speisegerät. angeschlossen werden sollen. Dies wird an Hand der Fig. 6 näher erläutert.
Angenommen, dass für zwei verschieden be lastbare Röhren der Spannungsverlust ausge glichen werden soll, so kann, ohne einen Urossen Fehler zu machen, die mit der Zeit veränderliche Komponente B konstant gehal ten und nur die Komponente 11 bzw. 4. ent sprechend der in Betrieb genommenen Röhre gewählt werden.
Nachstehend wird noch eine einfachere Ableitung der Tatsache, dass es möglich ist, den Spanniingsverhist über den ganzen Regelbereich nahezu konstant zu halten, gege ben. Hierbei wird der Widerstand vor dem Spartransformator als R1 (also einschliesslich des Netzwiderstandes) und die Summe aller hinter diesem Transformator vorhandenen 'auf die Primärseite des Hochspannungstrans formators reduzierten Widerstände als R2 angenommen.
Wird weiter die Netzspannung mit El und die Sekundärspannung des Regel- (Spar)transformatol:s mit. E2 und weiter die Primär- und Sekundärstromstärken des Regeltransformators mit Il bzw. I2 bezeich net, so ist der Gesamtspannungsverlust dE2 angenähert gleich
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Bei einer bestimmten Leistung N=EIII <I>=</I> E2 I2 ist.
dann
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wobei a = E12. R2/11.
Wird nur E2 von E,nin bis En,", geregelt, so wird E2 <I>+</I> a/E2 nahezu konstant sein, wenn a = En,in .
Ei.." also wenn
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Sowohl für En,in als auch für En,", ist dann der Spannungsverlust dE2 <I>=</I> NRl/E12 (Ernie + Emat)- Zwischen E",i" und Enr"l hat dE.. einen Min destwert, und zwar bei in der Grösse von
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Für den vorstehend bereits betrachteten Fall, wo En,in = 12 Ema" (Regelung zwischen 50 und 100 kV)
verhalten sieh die grössten und kleinsten Werte von dE2 wie 3:2
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Es besteht also nur 7 % Unterschied zwischen diesen Werten.
Wenn die Röhrenspannung von 70 bis 100 kV Maximalwert geregelt wird, was 35 bis 70 kVeff entsprieht, ist Emirs . Emax = 25 . 108 Volt2. Zwischen 45 und 90 kV wird dieses Produkt 20.108 Volt2.
Ein (vereinfachtes) Schaltbild eines Rönt gengerätes gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Fig. 7 dargestellt. hierbei ist ein Gerät mit zwei Röhren ver- sehiedener Belastbarkeit angenommen.
Zunächst muss dafür gesorgt werden, dass der Röhrenstrom als Funktion der Bela stungszeit und der Röhrenspannung den bei spielsweise in Fig. 1 durch die Oberfläche ABCD angegebenen Verlauf hat. Zu diesem Zweck sind sowohl auf der Welle 1, mit der die Spannung, als auch auf der Welle 2, mit tels der die Zeit geregelt wird, Regelwider stände 3 und 4 angebracht, deren Verlauf derart bemessen ist, dass diese Bedingung er füllt ist.
Ein Regelwiderstand 5 dient. weiter zum Einschalten eines für eine jede der zwei Röh ren geeigneten Widerstandes in den Heiz stromkreis. Der Heizstrom für die Kathoden der Röntgenröhren 17 und 18 wird vom Heiz- Ntromtransformator 19 geliefert. Dieser wird auf übliehe Weise über eine Spannungsstabi- lisiervorriehtung 6 vom Spartransformator 7 gespeist.
Es ist zweckdienlich, die beiden Röhren (gegebenenfalls auch Röhren, die weiter noch vorhanden sein sollten) nach geo metrisch gleiehen Stromspannungskennlinien zu belasten, das heisst, der Röhrenstrom wird bei beiden Röhren derart von der selbsttäti gen Vorrichtung geregelt, dass bei jeder Bela stungszeit das Verhältnis zwischen den Be lastungen (kW) das gleiche ist. Dies.ist des halb vorteilhaft, weil dann die Anzeige des Produktes<I>I . t</I> (inAmp. sek) auf einer ein zigen logarithmischen Skala durchführbar ist.
Verschiedenheiten in der Belastbarkeit der Röhren werden dabei berücksichtigt, indem die Skala oder der Anzeiger um ein Mass verschoben wird, dessen Grösse vom Ver hältnis der Belastungen abhängt. Der Spartransformator 7 ist an das Netz 8 angeschlossen. Ein Widerstand 9 soll den Netzwiderstand auf den erwünschten Wert bringen. Ein Regler 10 soll bei Spannungs- sehwankungen im Netz dem Spartransforma tor die richtige Spannung zuführen. Diese ist an einem Voltmeter 11 ablesbar.
Der Hochspannungsgenerator besteht aus dem Transformator 12, dessen Sekundärwech selstrom über Gleichrichterröhren 13 in Gleichstrom umgewandelt und über die Arme 11 und 15 eines Umsehalters wahlweise einer der beiden Röntgenröhren 17 und 18 zuge führt wird.
Das Zusetzen der Hilfsspannung dU zum Ausgleichen des Spannungsverlustes vollzieht sich wie folgt. Die Komponente A wird un mittelbar einer auf dem Regel(Spar)trans- formator vorgesehenen Hilfswicklung 20 ent nommen. Die Komponente B wird einer _NV ieklung 22 entnommen, und zwar mittels eines Regelorgans 21, das mit dem Zeitwäh ler gekuppelt ist. Die Wicklung 22 ist an den Regeltransformator angeschlossen. Die Kom ponente B wird über einen Transformator 23 zu der an der Primärwicklung des Hochspan nungstransformators wirksamen Spannung zu gesetzt. Die Ein- und Ausschaltung des Stro mes (beim Anfang bzw.
Ende der Belastung) vollzieht sich mittels des elektromagnetisch betätigten Schalters 24, dessen Erregerstrom \-oin Zeitsehalter 25 gesteuert wird.