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Die Erfindung betrifft ein bildgebendes medizinisches Gerät, welches einen Detektor mit einem in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand betriebsfähigen aktiven Material und eine Hauptstromversorgung umfasst, wobei die Hauptstromversorgung dazu eingerichtet ist, das bildgebende medizinische Gerät in einem Betriebszustand mit Leistung zu versorgen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen bildgebenden medizinischen Gerätes.
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In einem modernen Computertomographen wird insbesondere ein direktwandelnder Röntgendetektor auf Basis von Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid für photonenzählende Anwendungen verwendet. Ein derartiger Detektor weist nach Inbetriebnahme eine Zählratendrift auf, welche bei der Bildgebung zu Artefakten führen kann. Für eine verlässliche, hochauflösende und störungsfreie Bilderzeugung ist es notwendig, dass das Cadmiumtellurid bzw. das Cadmiumzinktellurid nach dem Einschaltvorgang des Computertomographen einen stabilen Gleichgewichtszustand hinsichtlich einer Besetzung von Störstellen erreicht hat.
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Ein solcher Gleichgewichtszustand der Störstellenbesetzung ist dabei von der am Röntgendetektor anliegenden Spannung abhängig. Das Erreichen eines für eine artefaktfreie Bilderzeugung adäquaten Gleichgewichtszustandes nach Einschalten einer Hochspannung am Röntgendetektor ist ein Prozess, der sich über einen Zeitraum von mehreren Stunden hinziehen kann. Für einen Betrieb im medizinischen Alltag ist es aus Gründen der Effizienz wünschenswert, den Computertomographen möglichst dauerhaft betriebsbereit zur Verfügung zu haben. Dem steht die lange Dauer zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes gegenüber, welche bei einem täglichen Einschaltvorgang im Praxisbetrieb zu erheblichen Zeitverlusten für Untersuchungen führen würde. Daher könnte man geneigt sein, einen Dauerbetrieb der Stromversorgung des Röntgendetektors in Erwägung zu ziehen.
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Ein Röntgendetektor ist auf dem Drehkranz des Computertomographen gemeinsam mit einer Vielzahl anderer Verbraucher, beispielsweise der Röntgenröhre, bildverarbeitender Elektronikkomponenten sowie Kühlern und Lüftern, angeordnet. Diese Verbraucher stellen, ausgenommen die Anodenspannung der Röntgenröhre, eine dauerbetriebene Grundlast von mehreren kW dar. Aufgrund dieser Grundlast wäre ein ununterbrochener Betrieb des Drehkranzes, also auch nachts und an Wochenenden, zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes im Röntgendetektor energetisch ineffizient.
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Als eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, könnte man die Hauptstromversorgung der Verbraucher auf dem Drehkranz derart auszugestalten, dass diese zwei Schalt- bzw. Betriebszustände aufweist, wobei im Hauptbetrieb alle Verbraucher und im Nebenbetrieb nur der Röntgendetektor mit Leistung versorgt werden. Ein derartiges Vorgehen würde jedoch erfordern, dass der Stromverteiler des Drehkranzes intelligent auf das Abschalten einzelner Verbraucher ausgelegt sein müsste, und hierbei die Unterscheidung der beiden Betriebszustände, da alle anderen Elektronik-Komponenten im Nebenbetrieb abgeschaltet wären, in einer eigens hierfür eingerichteten Steuerelektronik selbst übernehmen müsste.
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Diese Steuerelektronik müsste ihrerseits in die Kommunikation der anderen Elektronik-Komponenten eingebunden werden, wobei zu berücksichtigen wäre, dass beim Übergang vom Neben- in den Hauptbetrieb die übrigen Komponenten erst ihren Systemstart durchlaufen, bevor sie voll kommunikationsfähig sind, es also zu Signalfehlern kommen könnte, während die Steuerelektronik der Stromversorgung bereits in Betrieb ist. Eine derartige Lösung über eine Aufteilung der Hauptstromversorgung wäre somit störungsanfällig, was nicht zuletzt vor dem Hintergrund der hohen Anforderung eines besonders stabilen Betriebs im medizinischen Bereich, was sich auch in Zulassungsverfahren widerspiegeln, zum Verwerfen einer solchen Lösungsvariante führt.
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Die
DE 10 2005 014 119 A1 offenbart ein System zum Management des Energieverbrauchs eines medizinischen Bildgebungsdetektors.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein bildgebendes medizinisches Gerät anzugeben, welches in der Lage ist, einen Detektor mit einem in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand betriebsfähigen aktiven Material möglichst schnell und einfach in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen bildgebenden medizinischen Gerätes anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein bildgebendes medizinisches Gerät, umfassend einen Detektor mit einem in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand betriebsfähigen aktiven Material, eine Hauptstromversorgung, die dazu eingerichtet ist, das bildgebende medizinische Gerät in einem Betriebszustand mit Leistung zu versorgen, und eine Nebenstromversorgung, die dazu eingerichtet ist, in einem Ruhezustand des bildgebenden medizinischen Gerätes im aktiven Material des Detektors ein thermodynamisches Gleichgewicht aufrecht zu erhalten, um den Detektor in einem Bereitschaftszustand zu halten.
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Das aktive Material des Detektors ist hierbei das Material, auf welches eine vom Gerät für die Untersuchung emittierte Strahlung, die möglicherweise von einer zu untersuchenden Probe gestreut ist, auftrifft, und diese Strahlung durch einen physikalischen Prozess optisch oder elektro-optisch, insbesondere in ein Licht- oder ein Strom- bzw. Spannungssignal, umwandelt. Unter der Betriebsfähigkeit des aktiven Materials ist hierbei ein Zustand zu verstehen, in welchem mit dem bildgebenden medizinischen Gerät ein Aufnahmevorgang von zumindest ausreichender Bildqualität und Auflösung durchgeführt werden kann. Als thermodynamischer Gleichgewichtszustand ist hierbei unter anderem eine definierte Verteilung von Störstellen im Material umfasst. Insbesondere ist als ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand auch ein solcher Zustand umfasst, welcher ein lediglich elektrodynamisches Gleichgewicht aufweist.
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Als Ruhezustand ist der Zustand zu verstehen, in welchem die Hauptstromversorgung ausgeschaltet ist. Die Hauptstromversorgung versorgt im Betriebszustand insbesondere den Detektor und eine wesentliche Anzahl von weiteren Verbrauchern auf dem bildgebenden medizinischen Gerät mit Leistung. Weist das bildgebende medizinische Gerät mehrere voneinander vollständig getrennte Stromversorgungskreise auf, so ist unter der Hauptstromversorgung die Stromversorgung zu verstehen, welche während eines Aufnahmevorganges und in zeitlicher Umgebung eines solchen den Detektor und eine Anzahl an weiteren Verbrauchern mit Leistung versorgt.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen bildgebenden medizinischen Gerätes, wobei im Betriebszustand das bildgebende medizinische Gerät über die Hauptstromversorgung mit Leistung versorgt wird, und wobei im Ruhezustand durch eine Leistung der Nebenstromversorgung im aktiven Material des Detektors ein thermodynamisches Gleichgewicht aufrecht erhalten wird, und hierdurch der Detektor in einem Bereitschaftszustand gehalten wird.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass das Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichtszustandes je nach dessen Art bis zu einigen Stunden andauern kann, und deshalb das aktive Material des Detektors am einfachsten in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen ist, wenn der Gleichgewichtszustand dauerhaft aufrecht erhalten wird. Dies impliziert eine dauerhafte Leistungsversorgung zumindest des Detektors. Da in einem bildgebenden medizinischen Gerät oftmals ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Elektronikkomponenten stattfindet, welche zur Bilderzeugung und -verarbeitung miteinander kommunizieren, ist eine Aufteilung der Hauptstromversorgung in einzeln zu- und abschaltbare Versorgerelemente nicht wünschenswert, da dies insbesondere einen negativen Einfluss auf die gemeinsame Zeitsynchronisation und somit die Kommunikation von bildverarbeitenden Elektronikkomponenten haben könnte. Insbesondere in medizinischen Geräten ist jedoch häufig ein besonders stabiler und zuverlässiger Betrieb erwünscht.
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Eine Nebenstromversorgung, welche vorrangig dazu eingerichtet ist, den Detektor im Ruhezustand der Hauptstromversorgung in einem betriebsfähigen Zustand zu halten, wäre aus Platz- sowie aus Kostengründen zunächst ebenso abzulehnen. Eine zentrale Erkenntnis der Erfindung ist jedoch, dass die durch eine Nebenstromversorgung des Detektors nur geringfügig erhöhte Systemkomplexität des gesamten bildgebenden medizinischen Gerätes durch den Vorteil einer prinzipiell dauerhaft möglichen Betriebsbereitschaft des Detektors aufgewogen werden kann.
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Bevorzugt ist der Detektor als ein Röntgendetektor ausgebildet. Gerade in einem Röntgendetektor wird als aktives Material oftmals ein Material eingesetzt, welches zum Erreichen eines betriebsfähigen Zustandes über einen längeren Zustand unter Spannung gesetzt und/oder gekühlt oder beheizt werden sollte.
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Zweckmäßigerweise können hierzu am Detektor Mittel zum Heizen und/oder zum Kühlen angeordnet sein, welche eine Verbindung zur Nebenstromversorgung aufweisen. Insbesondere kann dabei ein ohmscher Heizer, ein Kühler oder ein Lüfter umfasst sein, welcher jeweils von der Nebenstromversorgung im Ruhezustand mit Leistung versorgt werden kann. Insbesondere kann hierbei auch ein Kühler und/oder ein Lüfter und/oder ein Heizer verwendet werden, welcher im Betriebszustand von der Hauptstromversorgung versorgt wird, und auch dazu eingerichtet ist, den das aktive Material des Detektors im Betriebszustand betriebsfähig zu halten.
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Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das bildgebende medizinische Gerät einen feststehenden Geräteteil und einen hierzu beweglich gelagerten Geräteteil aufweist, wobei der Detektor auf dem beweglichen Geräteteil angeordnet ist, wobei die Hauptstromversorgung eine am feststehenden Geräteteil angeordnete erste Leistungsquelle und eine erste Energieübertragungsstrecke umfasst, wobei die Nebenstromversorgung eine am feststehenden Geräteteil angeordnete zweite Leistungsquelle und eine zweite Energieübertragungsstrecke umfasst, und wobei die erste Energieübertragungsstrecke und die zweite Energieübertragungsstrecke dazu eingerichtet sind, Leistung vom feststehenden Geräteteil auf den beweglichen Geräteteil zu übertragen. Insbesondere versorgt hierbei die Hauptstromversorgung im Betriebszustand alle für den Betrieb wesentlichen Verbraucher auf dem beweglichen Geräteteil.
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Angesichts des beschränkten Platzangebotes auf dem beweglichen Geräteteil ist es hier besonders vorteilhaft, eine Leistungsversorgung des Detektors zur Aufrechterhaltung eines thermodynamischen Gleichgewichts im aktiven Material nicht über bauliche Veränderungen der existierenden Hauptstromversorgung im beweglichen Geräteteil vorzunehmen, sondern platzintensive Komponenten einer solchen Leistungsversorgung, wie z.B. Transformatoren und/oder Umrichter, auf dem feststehenden Geräteteil anzuordnen.
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Zweckmäßigerweise ist der Detektor gegen seine Umgebung elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere bedeutet dies, dass keine andere Übertragung von Elektrizität zwischen dem Detektor und seiner Umgebung möglich ist als über die Haupt- oder die Nebenstromversorgung. Dies ermöglicht es, den Detektor vollständig vom Rest des bildgebenden medizinischen Gerätes zu isolieren, wenn eine entsprechende Schutzschaltung eingebaut ist.
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Bevorzugt ist eine solche Schutzschaltung an der Hauptstromversorgung am Detektor angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, einen Leistungsrückfluss vom Detektor auf den Rest des Gerätes, beispielsweise über eine Leitung der Hauptstromversorgung, zu unterbinden, d.h., massiv zu unterdrücken, so dass auch noch minimale Leckströme bzw. Restspannungen vom Detektor auf den Rest des Gerätes übergehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Energieübertragungsstrecke eine am feststehenden Geräteteil angeordnete, Energie abgebende Komponente, und eine am beweglichen Geräteteil angeordnete, Energie aufnehmende Komponente, wobei die Energie abgebende Komponente und die Energie aufnehmende Komponente sich in einer Ruheposition gegenüberliegen.
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Unter einer Energie abgebenden bzw. aufnehmenden Komponente ist hierbei jeweils eine Komponente zu verstehen, welche im Betrieb der Nebenstromversorgung Energie abgibt bzw. aufnimmt. Die Ruheposition ergibt sich hierbei gerade durch die Position, in welcher sich die Energie abgebende und die Energie aufnehmende Komponente gegenüberliegen. Insbesondere können hierbei die Energie abgebende und die Energie aufnehmende Komponente jeweils einen elektrischen Kontakt zur Übertragung umfassen. Dies erlaubt es, insbesondere die Energie aufnehmende Komponente auf dem beweglichen Geräteteil platzgünstig zu dimensionieren und möglichst nah am Detektor anzuordnen.
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Bevorzugt umfassen die Energie abgebende Komponente und die Energie aufnehmende Komponente der zweiten Energieübertragungsstrecke jeweils eine Induktionsspule. Dies ermöglicht eine induktive und somit kontaktlose Energieübertragung des Detektors durch die Nebenstromversorgung.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das bildgebende medizinische Gerät als ein Computertomograph ausgebildet, wobei der feststehende Geräteteil einen Halterahmen, wobei der bewegliche Geräteteil einen Drehkranz umfasst, und wobei der Computertomograph eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, den beweglichen Geräteteil bei Abschalten der Hauptstromversorgung in eine Ruheposition zu fahren. Ein derart ausgestalteter Computertomograph bietet insbesondere den Vorteil, den Detektor bei vergleichsweise niedriger Leistungsaufnahme dauerhaft betriebsbereit halten zu können.
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Bevorzugt wird am Detektor im Ruhezustand des bildgebenden medizinischen Gerätes eine Spannung angelegt, um im aktiven Material des Detektors ein thermodynamische Gleichgewicht aufrecht zu erhalten. Insbesondere in Materialien wie beispielsweise Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid ist ein solcher Gleichgewichtszustand durch eine definierte Verteilung von Störstellen charakterisiert, welche maßgeblich durch Anlegen einer Spannung beeinflusst werden kann.
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Am Detektor wird im Ruhezustand des bildgebenden medizinischen Gerätes vorzugsweise durch Heizen oder Kühlen eine Temperatur eingestellt, um im aktiven Material des Detektors ein thermodynamische Gleichgewicht aufrecht zu erhalten. Ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand kann oftmals durch eine bestimmte Temperatur begünstigt stabil gehalten werden.
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Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn das aktive Material des Detektors im Ruhezustand des bildgebenden medizinischen Gerätes beleuchtet wird, um im aktiven Material ein thermodynamisches Gleichgewicht aufrecht zu erhalten. Die Folge einer solchen Beleuchtung ist unter anderem ein erhöhter Strom im Detektor. Hierdurch wird eine thermo- und/oder elektrodynamische Verteilungsfunktion im aktiven Material des Detektors so weit ausgelenkt, dass sich eine neue Gleichgewichtslage einstellt, welche in einem Aufnahmevorgang durch eine einfallende Strahlung, insbesondere eine Röntgenstrahlung, nicht mehr wesentlich beeinflusst wird. Dies trägt zur Betriebsfähigkeit des aktiven Materials bei.
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Günstigerweise wird der bewegliche Geräteteil beim Übergang des bildgebenden medizinischen Gerätes vom Betriebszustand in den Ruhezustand in eine definierte Ruheposition gefahren. Eine solche definierte Ruheposition erlaubt die Verwendung einer besonders einfachen Energieübertragungsstrecke, da Komponenten zur Energieabgabe und -aufnahme entsprechend der Positionsgenauigkeit sparsam dimensioniert werden können, was Kosten reduziert.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
- 1 ein schematisches Schaltbild eines Computertomographen mit einer Nebenstromversorgung für den auf dem Drehkranz angeordneten Detektor.
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In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines bildgebenden medizinischen Gerätes 1, welches als ein Computertomograph 2 ausgebildet ist, dargestellt. Der Computertomograph 2 umfasst dabei einen als Drehkranz 4 ausgebildeten beweglichen Geräteteil 5 und einen als Halterahmen 6 ausgebildeten feststehenden Geräteteil 7. Auf dem Drehkranz 4 ist der Detektor 10 in einer elektrischen Isolierung 12 angeordnet.
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Auf dem Drehkranz 4 sind eine Röntgenquelle 14, ein Lüfter 16, eine Bildverarbeitung 18 und eine Steuerelektronik 20 mit einem zentralen Stromverteiler 22 leitend verbunden, von welchem aus auch eine Leitung 24 zum Detektor 10 führt. Die Bildverarbeitung 18 ist über ein optisches Signalkabel 19 mit dem Detektor 10 verbunden. In der Röntgenquelle 14 sind weiter ein Motor 26 für eine Drehanode, ein Kathodenheizer 28 und ein Kühler 30 vorgesehen. Der zentrale Stromverteiler 22 ist verbunden mit einer ersten Energieübertragungsstrecke 32, deren Energie aufnehmende Komponente 34 Leistung zum zentralen Stromverteiler 22 führt. Die auf dem Halterahmen 6 angeordnete Energie abgebende Komponente 36 der ersten Energieübertragungsstrecke 32 ist mit einer ersten Leistungsquelle 38 verbunden. Die erste Leistungsquelle 38, die erste Energieübertragungsstrecke 32 und der zentrale Stromverteiler 22 bilden zusammen mit den entsprechenden Verbindungsleitungen die wesentlichen Komponenten der Hauptstromversorgung 40.
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Im Detektor 10 ist eine Schicht von aktivem Material 42 angebracht, welche von einer Spannungsquelle 44 unter Spannung gesetzt und von einem Kühler 46 gekühlt werden kann. Die Spannungsquelle 44 und der Kühler 46 sind verbunden mit einer Schutzschaltung 48 des Detektors 10. Von dieser führt eine leitende Verbindung zur innerhalb der Isolierung 12 angeordneten Energie aufnehmenden Komponente 50 einer zweiten Energieübertragungsstrecke 52, und eine weitere Leitung zum zentralen Stromverteiler 22 der Hauptstromversorgung 40. Die auf dem Halterahmen 6 angeordnete Energie abgebende Komponente 54 der zweiten Energieübertragungsstrecke 52 ist mit einer zweiten Leistungsquelle 56 verbunden. Die zweite Leistungsquelle 56 und die zweite Energieübertragungsstrecke 52 bilden zusammen mit den entsprechenden Verbindungsleitungen die wesentlichen Komponenten der Nebenstromversorgung 58. Die Energie aufnehmende Komponente 50 und die Energie abgebende Komponente 54 der zweiten Energieübertragungsstrecke 52 umfassen jeweils eine Induktionsspule 60, 62.
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Im Betrieb des Computertomographen 2 werden auf dem Drehkranz 4 alle wesentlichen Verbraucher, also die Röntgenquelle 14 (mit dem Motor 26 für die Drehanode, dem Kathodenheizer 28 und dem Kühler 30), der Detektor 10 (mit der Spannungsquelle 44 und dem Kühler 46), der Lüfter 16, die Bildverarbeitung 18 und die Steuerelektronik 20 über die Hauptstromversorgung 40 versorgt. Hierbei wird die Stromversorgung für den Detektor 10 über die Schutzschaltung 48 geführt. Das aktive Material 42 des Detektors 10 wird durch eine Spannung aus der Spannungsquelle 44 und eine durch den Kühler 46 eingestellte Temperatur in einem thermodynamischen Gleichgewicht gehalten, um betriebsfähig zu bleiben.
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Soll nun der Computertomograph 2 in den Ruhezustand überführt werden, beispielsweise am Ende eines Betriebstages, sorgt eine externe Steuereinheit 64, welche auf dem Halterahmen 6 angeordnet ist, dafür, dass der Drehkranz 4 in eine Ruheposition gefahren wird, in welcher sich die Induktionsspulen 60 und 62 der zweiten Energieübertragungsstrecke 52 gegenüberliegen. Nach dem sicheren Herunterfahren der Bildverarbeitung 18 und der Steuerelektronik 20 kann die Nebenstromversorgung 58 eingeschaltet und die Hauptstromversorgung 40 abgeschaltet werden, wobei die Schutzschaltung 48 einen glatten Übergang der Versorgung im Detektor 10 sicherstellt.
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Im Ruhezustand wird das aktive Material 42 des Detektors 10 weiterhin durch eine Spannung aus der Spannungsquelle 44 und eine durch den Kühler 46 eingestellte Temperatur im thermodynamischen Gleichgewicht gehalten, wobei nun die Leistung über die Nebenstromversorgung 58 zugeführt wird.
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Aufgrund der elektrischen Isolierung 12 und der Schutzschaltung 48 ist der Drehkranz, bis auf den Detektor 10 selbst, im Ruhezustand spannungsfrei, so dass in dieser Zeit auch Wartungs- oder Reparaturarbeiten, welche nicht den Detektor 10 betreffen, durchgeführt werden können.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
