DE3929402A1 - Roentgeneinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung mit einem Röntgenstrahler und einem Hochspannungserzeuger zur Ver­ sorgung des Röntgenstrahlers mit Hochspannung über wenigstens ein Hochspannungskabel. Derartige Röntgenein­ richtungen sind allgemein bekannt.

In der Praxis lassen sich Störungen der Röntgenröhre nicht ganz vermeiden. Bei diesen Störungen entstehen im Innern der Röntgenröhre Ladungsträgerlawinen, die zu einem Durch­ zünden der Röntgenröhre führen, wobei sich die in den Kapazitäten des Hochspannungskabels gespeicherte Energie stoßartig über die Röntgenröhre entlädt. Der Röhrenstrom kann dabei zeitweilig Werte im Bereich von kA erreichen, so daß die Gefahr der Zerstörung der Röntgenröhre besteht. Diese Gefahr ist umso ausgeprägter, je länger das Hochspannungskabel ist bzw. - bei zwei Hochspannungskabeln zwischen Hochspannungserzeuger und Röntgenstrahler - die Hochspannungskabel und je höher die Betriebsspannung der Röntgenröhre ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Gefahr der Zerstörung der Röntgenröhre zu verringern. Diese Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Hochspannungskabel oder am Ausgang des Hochspannungserzeugers eine nur hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungsimpedanz vorgesehen ist.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Röntgen­ röhre im Falle dieser Störung das Hochspannungskabel schlagartig kurzschließt, wodurch in dem Kabel eine nur schwach gedämpfte Schwingung erzeugt wird, deren Strom­ maximum an dem mit dem Röntgenstrahler verbundenen Ende des Kabels auftritt. Durch die nur hochfrequenzmäßig, d.h. also nur im Falle einer Röhrenstörung wirksame Impedanz wird diese Schwingung gedämpft, so daß die Röhrenstörung schneller abgeklungen ist als bei einer Röntgeneinrichtung ohne eine solche Dämpfungsimpedanz. Die Erfindung verringert also nicht die Häufigkeit der Störun­ gen, sondern nur die Dauer jeder einzelnen Störung, so daß diese für die Röntgenröhre weniger schädlich wird.

Im Falle einer Störung ergibt sich am Ausgang des Hoch­ spannungserzeugers, der in der Praxis stets mit einem hochohmigen Ausgangswiderstand abgeschlossen ist, ein Spannungsmaximum und im Bereich des Röntgenstrahlers ein Strommaximum. Daher kann die Dämpfung sowohl am Hochspan­ nungserzeuger als auch am Röntgenstrahler bzw. in dessen Nähe erfolgen.

Eine am Hochspannungserzeuger wirksame Dämpfung wird nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung dadurch erhalten, daß parallel zum Ausgang des Hochspannungserzeugers die Serienschaltung seiner im Normalbetrieb nichtleitenden Diode und eines Dämpfungswiderstandes vorgesehen ist, der in der Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt. Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht demgegenüber vor, daß parallel zum Generatorausgang die Serienschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes vorgesehen ist, dessen Widerstandswert in der Größenordnung des Wellen­ widerstandes liegt.

In beiden Fällen ist diese Art der Dämpfung umso wirk­ samer, je dichter der Dämpfungswiderstand beim Hochspan­ nungserzeuger angeordnet ist. Vorzugsweise ist er im Hoch­ spannungserzeuger angeordnet, was den Vorteil hat, daß am Kabel keine Veränderungen erforderlich sind.

Eine andere Ausgestaltung sieht demgegenüber vor, daß die Dämpfungsimpedanz einen ferromagnetischen Kern umfaßt, der so gestaltet und angeordnet ist, daß der in dem Hochspan­ nungskabel fließende Strom darin einen magnetischen Fluß erzeugt.

Diese Art der Dämpfung setzt voraus, daß die Dämpfungs­ impedanz auf dem Hochspannungskabel in der Nähe des Rönt­ genstrahlers wirksam ist. Über den ferromagnetischen Kern wird dabei die Dämpfung in die Hochspannungsleitung trans­ formiert.

Für eine derartige Transformation der Dämpfung in die als (Primär-)Wicklung wirkende Hochspannungsleitung ist an sich eine weitere (Sekundär-)Wicklung erforderlich, an die ein geeignet bemessener Widerstand angeschlossen ist. Eine solche Lösung ist recht aufwendig. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht demgegenüber vor, daß der Kern ein Ferrit­ kern ist, der bei den bei einer Röhrenstörung auftretenden Frequenzen des Röhrenstroms Verluste aufweist. Die Dämpfung wird also durch Verwendung eines verlustbehaf­ teten Ferritkerns erzeugt, so daß eine Sekundärwicklung entfallen kann.

Grundsätzlich wäre es möglich, die die Hochspannung führende Ader in dem Hochspannungskabel um einen zylinder­ förmigen Ferritkern zu wickeln. Dies würde jedoch ein ent­ sprechend präpariertes Kabel bzw. einen entsprechend präparierten Kabelabschnitt, der über eine entsprechende Steckverbindung mit einem normalen Hochspannungskabel zusammengefügt wird, voraussetzen. Eine günstigere Ausgestaltung sieht daher vor, daß der Ferritkern das Hochspannungskabel ring- bzw. hohlzylinderförmig um­ schließt. Hierbei braucht der Hochspannungsleiter also nicht um den Kern gewickelt zu werden; dieser umschließt vielmehr den Hochspannungsleiter, so daß kein gesondert präpariertes Kabel erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Röntgeneinrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Röntgenstrahler 1. Die Anode der in diesem Strahler enthaltenen Röntgenröhre ist geerdet, während ihre Kathode an einer negativen Hochspannung von z.B. 225 kV betrieben wird. Diese wird von einem Röntgen­ generator 2 geliefert. Die in diesem Hochspannungsgene­ rator auf nicht näher dargestellte Weise erzeugte Hoch­ spannung ist im allgemeinen an einem Glättungskondensator 21 verfügbar. Der Hochspannungserzeuger 2 ist mit dem Röntgenstrahler 1 über ein Hochspannungskabel 3 mit drei Innenleitern 31 verbunden, von denen in Fig. 1 nur einer dargestellt ist und die praktisch das gleiche Hochspan­ nungspotential führen (die geringen Spannungsunterschiede zwischen diesen Innenleitern dienen der Erzeugung eines Heizstroms in den beiden Heizfäden der Kathode). Das Hoch­ spannungskabel umfaßt darüberhinaus in bekannter Weise ein geerdetes Drahtgeflecht 32, vorzugsweise aus Kupfer, das die Innenleiter 31 umschließt. Die Hochspannung am Konden­ sator 21 wird dem mit der Kathode verbundenen Innenleiter 31 des Hochspannungskabels 3 nicht direkt zugeführt, sondern über einen Ausgangswiderstand 22 von z.B. 100 kOhm.

Dieser Ausgangswiderstand hat die Aufgabe, den im Falle eines Kurzschlusses im Generator fließenden Strom zu begrenzen.

Im Falle einer Störung in der Röntgenröhre bildet diese für das Hochspannungskabel praktisch einen Kurzschluß, wobei sich die Kabelkapazitäten über die Röntgenröhre - mit Entladungsströmen im kA-Bereich - entladen. Wegen der Kabelinduktivitäten ergibt sich dabei eine Schwingung, deren Strommaximum an dem mit dem Röntgenstrahler 1 ver­ bundenen Ende des Hochspannungskabels liegt. Diese Schwin­ gung wird gedämpft, um ihre Energie und damit auch die Gefahr einer Beschädigung des Röntgenstrahlers 1 zu verringern.

Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• a) Wie gestrichelt angedeutet, ist an den Ausgang des Hochspannungserzeugers die Serienschaltung eines Kondensators 23 und eines Widerstandes 24 angeschlos­ sen, dessen Widerstandswert zumindest größenordnungsmä­ ßig dem Wellenwiderstand (ca. 100 Ohm des Hochspan­ nungskabels 3) entspricht. Wegen des Kondensators 23 fließt im Normalbetrieb, bei dem am Ausgang nur eine Gleichspannung anliegt, kein Strom über den Widerstand 24. Nur im Störungsfall wirkt der Widerstand 24 infolge seiner Bemessung wie ein nahezu reflexionsfreier Abschluß für das Hochspannungskabel, so daß die Hoch­ frequenzenergie der Schwingung in dem Widerstand 24 in Wärme umgesetzt werden kann, so daß die Schwingungs­ dauer wesentlich verkürzt wird. Allerdings erfordert diese Lösung einen Kondensator 23, der neben der erfor­ derlichen Hochspannungsfestigkeit auch mit den im Störungsfall fließenden hohen Strömen belastbar sein muß. Außerdem entlädt sich der Kondensator 23 im Störungsfall zusätzlich über die Röntgenröhre.
• b) Eine andere Möglichkeit zur Dämpfung der Schwingung des Hochspannungskabels besteht darin, an den Ausgang des Hochspannungserzeugers 2 die Serienschaltung einer Diode 25 und eines Widerstandes 26 anzuschließen. Der Wert des Widerstandes 26 sollte zumindest größenord­ nungsmäßig dem Wellenwiderstand des Hochspannungskabels entsprechen und die Diode 25 muß so gepolt sein, daß sie durch die im Normalbetrieb herrschende Hochspannung gesperrt wird. Im Falle einer Störung der Röntgenröhre ergibt sich am Ausgang des Hochspannungserzeugers 2 eine Schwingung, bei der die Hochspannung am Ausgang des Hochspannungserzeugers ihre Polarität entsprechend der Eigenresonanz des Hochspannungkabels umkehrt. Immer dann, wenn die Polarität umgekehrt ist, fließt der Schwingungsstrom über den Widerstand 26 und wird dadurch gedämpft. Somit ist auch die durch die Serien­ schaltung 25 und 26 gebildete Belastungsimpedanz nur hochfrequenzmäßig wirksam. Diese Lösung erfordert eine Diode (bzw. eine Vielzahl in Serie geschalter Dioden), deren Sperrspannung der Hochspannung des Röntgengenera­ tors entspricht und die im Störungsfall von dem starken Strom durch die Röntgenröhre beaufschlagbar sein muß.
• c) Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet demgegenüber eine Dämpfungsimpedanz 30, die magnetisch in die Hochspannungsleitung gekoppelt wird. Diese Impe­ danz ist an der Stelle des Hochspannungskabels am wirk­ samsten, an der sich im Störungsfall die größten Ströme ergeben, d.h. in der Nähe des Röntgenstrahlers. Die Dämpfungsimpedanz 30 sollte daher in der Nähe des Rönt­ genstrahlers auf dem Hochspannungskabel 3 angeordnet sein. Aufbau und Wirkungsweise dieser magnetisch wirk­ samen Dämpfungsimpedanz werden nachfolgend anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Die Dämpfungsimpedanz 30 besteht aus mehreren ring- bzw. zylinderförmigen weichmagnetischen Ferritkernen 301, die das Hochspannungskabel 3 umschließen. Im Bereich der Ferritkerne ist das geerdete Drahtgeflecht 32 einschließ­ lich der darauf aufgebrachten Gummischicht entfernt, so daß das vom Strom durch die Innenleiter 31 erzeugte Magnetfeld die Ringkerne 301 durchsetzt. Im Normalbetrieb, bei dem ein vergleichsweiser geringer Gleichstrom von z.B. 15 mA die Innenleiter durchsetzt, haben die Ferrit­ kerne 301 praktisch keinen Einfluß. Im Falle einer Röhren­ störung hingegen ergibt sich eine Stromschwingung mit einer Amplitude von einigen kA und einer Frequenz von rund 3 MHz (bei einem 10 m langen Hochspannungskabel). Die Ferritkerne 31 müssen nun so beschaffen sein, daß bei dieser Frequenz das (Hoch-)Magnetfeld in die Kerne 301 eindringen kann und dort genügend starke Verluste hervor­ ruft.

Dies wird durch Verwendung von Mangan-Zink-Ferriten er­ reicht. Mangan-Zink-Ferrite haben einen spezifischen elek­ trischen Widerstand in der Größenordnung von 1 Ohm _* m. In derartigen Ferritkernen ruft das von dem im Störungsfalle durch die Innenleiter 31 fließenden Strom erzeugte Hoch­ frequenzmagnetfeld relativ starke Wirbelströme hervor, so daß der Innenleiter 31 in Verbindung mit den Ferritkernen 301 wie eine mit Verlusten behaftete Induktivität wirkt, wodurch die im Störungsfalle auftretende Hochfrequenz­ schwingung so bedämpft wird, daß sie nach einer oder wenigen Schwingungsperioden abgeklungen ist. - Wenn anstelle von Mangan-Zink-Ferriten Nickel-Zink-Ferrite ver­ wendet werden, deren spezifischer Widerstand mehrere Zehnerpotenzen höher liegt als die von Mangan-Zink- Ferriten, dann sind die Verluste vernachlässigbar klein, so daß keine wirksame Dämpfung auftritt. Würden hingegen Weicheisenkerne verwendet, deren spezifischer elektrischer Widerstand um mehrere Zehnerpotenzen kleiner ist als die eines Mangan-Zink-Ferrits, dann würde aufgrund der zu starken Wirbelströme das Hochfrequenzmagnetfeld praktisch nicht in die Kerne eindringen können, so daß diese ebenfalls nicht dämpfend wirksam würden.

Wie bereits erwähnt, ändert die Hochspannung im Falle einer Störung ihre Polarität. Das sich dabei während einer Halbschwingung ergebende Zeitintegral bestimmt den maxima­ len Induktionsfluß. In den Phasen der Schwingung, in denen der zeitlich veränderliche Induktionsfluß die Ferritkerne in die Sättigung treibt, ist die Dämpfung durch die Kerne unwirksam. Unterhalb eines für die Aufnahme eines maxima­ len Induktionsflusses ausreichenden Gesamtquerschnitts der Ferritkerne nimmt daher die Dämpfung mit abnehmendem Ge­ samtquerschnitt ab. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Dämpfung noch zum Schutz der Röntgenröhre ausreicht, wenn der Gesamtquerschnitt kleiner ist als für den maximalen Induktionsfluß erforderlich. Der Gesamtquerschnitt sollte daher so gewählt werden, daß der Schutz der Röntgenröhre gerade noch gewährleistet ist. Im Einzelfall hängt dieser Kompromiß u.a. von dem Aufbau der Röntgenanlage, insbeson­ dere des Röntgenstrahlers ab.

Damit die in den Ferritkernen induzierten Spannungen nicht über die Außenfläche benachbarter Kerne oder Metallflächen kurzgeschlossen werden, sind die Ferritkerne durch Isolierschichten 302 allseitig isoliert.

Die Ferritkerne 301 werden durch zwei das Hochspannungs­ kabel 3 konzentrisch umschließende Anschläge 303 aus Mes­ sing auf dem Hochspannungskabel fixiert. Die Anschläge 303 ihrerseits werden durch Kabeltüllen 304 in ihrer Position gehalten, und sie sind elektrisch leitend mit den Enden des Geflechtes 32 verbunden. Mittels eines Messingrohres 305, das die Ferritkerne 301 umschließt und die Anschläge 303 miteinander verbindet, ergibt sich somit eine ununter brochene Abschirmung bzw. eine elektrisch leitende Verbin­ dung zwischen den beiden Enden des Drahtgeflechts 32.

Anstelle der Ferritkerne kann zur Dämpfung ggf. auch ein Eisendrahtgeflecht (32) verwendet werden.

Claims (12)

1. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgenstrahler (1) und einem Hochspannungserzeuger (2) zur Versorgung des Rönt­ genstrahlers mit Hochspannung über wenigstens ein Hochspannungskabel, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hochspannungskabel (3) oder am Ausgang des Hochspannungserzeugers (2) eine nur hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungsimpedanz (30) vorge­ sehen ist.

2. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz (30) in der Nähe des Hochspannungserzeugers angeordnet ist.

3. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz einen ferromagnetischen Kern (301) umfaßt, der so gestaltet und angeordnet ist, daß der in dem Hochspannungskabel (3) fließende Strom darin einen magnetischen Fluß erzeugt.

4. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Ferritkern (301) ist, der bei den bei einer Röhrenstörung auftretenden Frequenzen des Röhrenstroms Verluste aufweist.

5. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern das Hochspan­ nungskabel ring- bzw. hohlzylinderförmig umschließt.

6. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz (30) mehrere auf dem Hochspannungskabel nebeneinander angeord­ nete Ferritkerne (301) umfaßt.

7. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne elektrisch gegeneinander isoliert sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungskabel ein geerdetes Drahtgeflecht (31) aufweist und daß das Drahtge­ flecht in dem Bereich, auf den der bzw. die Ferritkern(e) (301) aufgebracht ist (sind), unterbrochen ist.

9. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der unterbrochene Teil des Drahtgeflechts über ein den (die) Ferritkern(e) (301) um­ schließendes, elektrisch leitendes Rohr (305) elektrisch miteinander verbunden sind.

10. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungskabel (3) zumindest über einen Teil seiner Länge mit einem geerdeten Eisendrahtgeflecht versehen ist.

11. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgang des Hoch­ spannungserzeugers (2) die Serienschaltung seiner im Normalbetrieb nichtleitenden Diode (25) und eines Dämpfungswiderstandes (26) vorgesehen ist, der in der Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt.

12. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Generatorausgang die Serienschaltung eines Kondensators (23) und eines Widerstandes (24) vorgesehen ist, dessen Widerstandswert in der Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt.