DE69018525T2 - Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit einer Röntgenröhre, die Röntgenstrahlen erzeugt, wenn sie mit einer Hochspannung beaufschlagt wird, die durch Erhöhen einer Eingangswechselspannung mittels eines Aufwärtstransformators oder dergleichen und Gleichrichten der erhöhten Spannung erhalten wird.
• Ein Beispiel dieses Typs von herkömmlichem Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen ist in Fig. 1 gezeigt. Um die Wirksamkeit zu verbessern und die Vorrichtung klein und leicht zu machen, ist ein Frequenzkonverter 2 zum Umsetzen der Frequenz einer von einer Eingangsspannungsquelle (Wechselspannungsquelle) angelegten Spannung mit der Primärseite eines Hochspannungstransformators 3 verbunden. Die Ausgangsspannung des Frequenzkonverters 2 wird durch den Hochspannungstransformator 3 angehoben, und die Ausgangsspannung des Hochspannungstransformators 3 wird durch einen Hochspannungsgleichrichter 4 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Hochspannunsgleichrichters 4 wird zwischen die Anode und Kathode einer als Röntgenquelle dienenden Röntgenröhre 5 angelegt.
• Der Frequenzkonverter 2 wird allgemein aus einem Gleichrichter zum Umsetzen einer Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung, einem Kondensator zum Sieben der Gleichspannung und einem Wechselrichter zum Umsetzen der Gleichspannung in eine Wechselspannung der gewünschten Frequenz gebildet.
• Der Frequenzkonverter 2 setzt die Frequenz f0 (die eine Netzfrequenz ist und allgemein 50/60 Hz beträgt) der Eingangswechselspannung in eine Frequenz f1 um, die höher als die Frequenz f0 ist, und legt dann die Spannung an den Hochspannungstransformator 3 an. In dem Maße, wie die Ausgangsfrequenz f1 des Frequenzkonverters 2 höher gewählt wird, können Größe und Gewicht des Frequenzkonverters 2 und des Hochspannungstransformators 3 verringert werden. Da die Impedanzen von Spulen und Kondensatoren allgemein abhängig von der Frequenz sind, können Kapazität und Induktanz verringert werden, wenn die Frequenz höher gesetzt wird und die Impedanzen unverändert bleiben. Da sich Kapazität und Induktanz proportional zur Größe des Kondensators und der Spule ändern, können die Größe und das Gewicht des Frequenzkonverters 2 und des Hochspannungstransformators 3, die die Spule und den Kondensator einsetzen, verringert werden, wenn die Frequenz ansteigt.
• Allerdings kann bei dem obigen Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen die Ausgangsfrequenz f1 des Frequenzkonverters 2 nicht unbegrenzt erhöht werden, und dessen obere Grenze ist durch die Charakteristik des Hochspannungstransformators 3 aus dem folgenden Grund festgelegt. Fig. 2 zeigt eine Ersatzschaltung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung bezüglich des Sekundärbereichs des Transformators 3. In Fig. 2 bezeichnen L1, L2 und M die Primärinduktanz, die Sekundärinduktanz bzw. die Gegeninduktanz des Hochspannungstransformators 3. N bezeichnet das Windungsverhältnis (die Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung / die Anzahl von Windungen der Primärwicklung) des Transformators 3. Um in diesem Fall eine hohe Ausgangsspannung zu erhalten, ist der Hochspannungstransformator 3 so entworfen, daß die Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung sehr viel größer gewählt ist als die der Primärwicklung, und daher ist die Sekundärinduktanz L2 viel größer als die Primärinduktanz L1 und die Gegeninduktanz M. Daher kann die Induktanz des Sekundärbereichs des Hochspannungstransformators 3, die tatsächlich (L2 - M) beträgt, wie in Fig. 2 gezeigt, als gleich der Sekundärinduktanz L2 unter Vernachlässigung von M angesehen werden, und in der nachfolgenden Verdeutlichung wird angenommen, daß die Induktanz des Sekundärbereichs gleich L2 ist. Ferner, angenommen, daß die äquivalente Impedanz der Röntgenröhre 5 Rx beträgt und die Klemmenspannung der Röntgenröhre 5 Ex beträgt und der Gleichrichter 4 aus der Betrachtung ausgenommen wird, da er in keiner Beziehung zur Klemmenspannung Ex steht, ist dann die Sekundärinduktanz L2 in Reihe mit der Impedanz Rx verbunden. Wenn die Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters 2 f1 beträgt, kann eine Impedanz Z2 bedingt durch die Sekundärinduktanz L2 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, und es wird deutlich, daß sie proportional zur Ausgangsfrequenz f1 des Frequenzkonverters 2 variiert :
• Z2 = 2π f1 L2 ... (1)
• Ferner wird die an die Röntgenröhre 5 angelegte Spannung Ex wie folgt ausgedrückt :
• Ex = E2 Rx / (Rx + Z2) ... (2)
• Da das Windungsverhältnis N sehr groß ist und daher die Induktanz (L1 - M) / N2 vernachlässigt werden kann, drückt sich die Klemmenspannung E2 der Gegeninduktanz M wie folgt aus, unter Benutzung einer Ausgangsspannung E1 des Frequenzkonverters 2 :
• E2 = E1 N ... (3)
• Wie aus den Gleichungen (1) und (2) deutlich wird, steigt die Impedanz Z2, wenn die Ausgangsfrequenz f1 des Frequenzkonverters 2 ansteigt, was zu dem Problem führt, daß die an die Röntgenröhre 5 angelegte Spannung Ex abgesenkt wird. Aus diesem Grund hat die Ausgangsfrequenz f1 des herkömmlichen Frequenzkonverters 2 eine obere Grenze von etwa 10 KHz, und eine höhere, die obere Grenze übersteigende Frequenz kann nicht erreicht werden. Wenn die Frequenz auf etwa 10 KHz gesetzt wird, ist es schwierig, Größe und Gewicht des Transformators und der Gleichrichterschaltung deutlich zu verringern, und Rauschen kann vom Transformator 3 erzeugt werden. Der Grund, warum die Ausgangsfrequenz f1 des Frequenzkonverters 2 nur auf maximal etwa 10 KHz erhöht werden kann, liegt darin, daß die Sekundärinduktanz L2 des Hochspannungstransformators sehr hoch ist.
• Um das obige Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, den Primärbereich des Hochspannungstransformators wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt zu modifizieren. In der Schaltung gemäß Fig. 3 ist ein Kondensator C1 in Reihe zur Primärwicklung des Hochspannungstransformators 3 geschaltet, um einen Reihenresonanzbetrieb an der Primärseite zu erzielen. In der Schaltung gemäß Fig. 4 ist ein Kondensator C2 parallel mit der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 3 verbunden, um einen Parallel-Resonanzbetrieb im Primärbereich zu erreichen. Allerdings wird in jeder Schaltung auch die Spannung an der Primärseite des Hochspannungstransformators 3 in äquivalenter Weise durch den Reihenresonanz- oder Parallelresonanzbetrieb erhöht. Die Induktanz L1 des Primärbereichs ist ursprünglich klein und die Resonanzspannung niedrig. Um die selbe an die Röntgenröhre 5 angelegte Spannung zu erreichen wie für den Fall, daß kein Resonnnzkreis angeschlossen ist, ist es nur möglich, die Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters 2 auf das zwei- oder dreifache der Ausgangsfrequenz zu erhöhen, die für den Fall gegeben ist, daß kein Resonanzkreis angeschlossen ist.
• Ferner ist im US-Patent 4,545,005 (Mudde) die Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators in eine Mehrzahl von Teilwicklungen unterteilt, zum Erhöhen der Frequenz des Hochspannungstransformators, und die mit Gleichrichterschaltungen verbundenen Teilwicklungen sind in Reihe verbunden und an eine Röntgenröhre angeschlossen. Allerdings ist der Hochspannungstransformator selbst nicht unterteilt. Der Hochspannungstransformator kann als ein einziger Transformator angesehen werden, und der Ausgang eines Frequenzkonverters ist lediglich mit einem einzigen Hochspannungstransformator verbunden. Daher, wie im in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Fall, ist es nur möglich, die Frequenz auf maximal etwa 10 KHz zu erhöhen.
• Ferner werden im US-Patent 4,317,039 (Romandi) mehrere Frequenzkonverter und mehrere Hochspannungstransformatoren eingesetzt, aber in diesem bekannten Fall besteht die Aufgabe in der Verminderung von Brumm, und die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Phasen der Mehrzahl von Frequenzkonvertern voneinander verschieden zueinander eingestellt werden. Daher ist diese Druckschrift nicht auf die Erhöhung der Frequenz des Transformators gerichtet und offenbart, daß die Frequenz im mittleren Bereich liegt und etwa sechs bis sieben KHz beträgt.
• Die EP-A-0 286 678 offenbart einen Röntgentomographen, der keinen besonderen Isolationsmechanismus für einen Schleifring aufweist, um elektrische Spannung an eine Röntgenröhre anzulegen, und der keine Gewichtserhöhung des drehenden Teils verursacht. Eine Spannung aus einer Netzspannungsquelle wird durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung eines Werts in der Mitte zwischen der Netzspannung und einer an die Röntgenröhre anzulegenden Hochspannung umgesetzt, mit einer Frequenz von 200 Hz bis 2 KHz. Die so umgesetzte Wechselspannung wird über einen Schleifring auf den drehenden Teil übertragen, wo die Wechselspannung durch Spannungserhöhungsgeräte, die leichte Transformatoren, Gleichrichter und Glättungsschaltungen aufweisen, angehoben wird. Die gleichgerichtete hohe Gleichspannung wird an eine Röntgenröhre angelegt. Die Spannungserhöhungsgeräte können eine Mehrzahl von Spannungserhöhungsschaltungen zum Erzeugen hoher Gleichspannungen aufweisen. In diesem Fall wird die Summe dieser Gleichspannungen an die Röntgenröhre angelegt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen zu schaffen, bei welchem die Frequenz einer Spannung aus einer Wechselspannungsquelle durch einen Frequenzkonverter erhöht wird, die Spannung dann mittels eines Transformators erhöht wird und die angehobene Spannung mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet wird und an eine Röntgenröhre angelegt wird, und bei dem die Sekundärinduktanz (L2) des Transformators verringert und als Ergebnis die obere Grenze der Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters erhöht werden kann. Dadurch können Größe und Gewicht des Transformators und des Gleichrichters verringert werden.
• Ein Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit der begleitenden Zeichnung verdeutlicht, in welcher
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines herkömmlichen Apparats zur Erzeugung von Röntgenstrahlen zeigt;
• Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
• Fig. 3 eine Abbildung mit einem weiteren Beispiel der herkömmlichen Vorrichtung zeigt;
• Fig. 4 eine Abbildung mit noch einem weiteren Beispiel der herkömmlichen Vorrichtung zeigt;
• Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Apparats zur Erzeugung von Röntgenstrahlen zeigt;
• Fig. 6A und 6B Ersatzschaltbilder des Bereichs der herkömmlichen Vorrichtung gemaß Fig. 1 und Fig. 5 von der Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators bis zur Röntgenröhre zeigen;
• Fig. 7 ein Diagramm mit der Charakteristik der Vorrichtung gemäß Fig. 5 zeigt;
• Fig. 8 ein Schaltbild mit einer ersten Abänderung der Vorrichtung gemäß Fig. 5 zeigt;
• Fig. 9 ein Schaltbild mit einer zweiten Abänderung der Vorrichtung gemäß Fig. 5 zeigt;
• Fig. 10 ein Schaltbild mit einer dritten Abänderung der Vorrichtung gemaß Fig. 5 zeigt;
• Fig. 11 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugimg von Röntgenstrahlen entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 12 ein Ersatzschaltbild eines Bereichs der Ausführungsform von der Sekundärwicklung jedes Hochspannungstransformators bis zur Röntgenröhre zeigt; und
• Fig. 13 ein Diagramm mit der Charakteristik der Ausführungsform zeigt.
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
• Fig. 5 ist ein Blockschaltbild mit dem Aufoau eines Apparats zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Eine als Eingangsspannungsquelle dienende Wechselspannungsquelle 11 ist mit dem Eingangsanschluß eines Frequenzkonverters 12 verbunden. Der Frequenzkonverter 11 erhöht die Frequenz einer von der Wechselspannungsquelle 11 zugeführten Wechselspannung. Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n sind parallel zueinander zwischen Ausgangsanschlüssen des Frequenzkonverters 12 geschaltet. Das heißt, ein Ende der Primärwicklung von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n ist mit einem der Ausgangsanschlüsse des Frequenzkonverters 12 verbunden, und das andere Ende der Primärwicklung von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;,... 13n ist mit dem anderen Ausgangsanschluß des Frequenzkonverters 12 verbunden. Die Sekundärwicklungen der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n sind jeweils mit Hochspannungsgleichrichtern 14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Hochspannungsgleichrichter 14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n sind in Reihe geschaltet, und das Ergebnis der durch die Reihenschaltung erhaltenen seriellen Addition wird an die Röntgenröhre 15 angelegt. Das heißt, der positive Ausgangsanschluß des Hochspannungsgleichrichters 14&sub1; ist mit der Anode der Röntgenröhre 15 verbunden, die negativen Ausgangsanschlüsse der Hochspannungsgleichrichter 14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n-1 sind mit den positiven Ausgangsanschlüssen 14&sub2;, 14&sub3;,... 14n verbunden, und der negative Ausgangsanschluß des Hochspannungsgleichrichters 14n ist mit der Kathode der Röntgenröhre 15 verbunden.
• In diesem Fall wird die Windungszahl von jeder der Primärwicklungen der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n gleich der der Priinärwicklung des in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Hochspannungstransformators 3 gesetzt, und die Windungszahl von jeder der Sekundärwicklungen der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n wird auf 1/n von der des herkömmlichen Hochspannungstransformators 3 gesetzt, zur Vereinfachung der Beschreibung.
• Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieses Apparats beschrieben. Fig. 6A ist ein Ersatzschaltbild des Sekundärbereichs (des Bereichs von der Sekundärwicklung bis zur Röntgenröhre mit vernachlässigtem Gleichrichter) des herkömmlichen Transformators gemäß Fig. 1. Fig. 6B ist das Ersatzschaltbild des Sekundärbereichs der Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n des in Fig. 5 gezeigten Apparats. Im allgemeinen ist die Windungszahl der Sekundärwicklung von jedem der Hochspannungstransformatoren 3, 13&sub1; 13&sub2;,... 13n extrem größer als die der Primärwicklungen, und die Sekundärinduktanz L2 ist auf einen hohen Wert gesetzt. Daher können die Ersatzschaltbilder nur durch die Sekundärinduktanz L2 ausgedrückt werden, wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt. Der Frequenzkonverter wird allgemein durch einen Schaltiinpuls ein-/ausgeschaltet und gibt ein Impulssignal aus. Daher wird die Spannung E2 ebenfalls durch einen Impuls ausgedrückt.
• Wenn in Fig. 6A L2/Rx = τa gilt, dann wird die an die Röntgenröhre 5 angelegte Spannung Ex unter Benutzung der Zeitkonstante τa wie folgt ausgedrückt und steigt, wie durch eine Kurve A in Fig. 7 gezeigt, an. Der Bezugszeitpunkt t = 0 bezüglich der Zeit t in Fig. 7 ist ein Zeitpunkt, an welchem die Spannung E2 zu steigen beginnt.
• Ex = E2 (1-e-t/τa) ... (4)
• Das heißt, wenn angenommen wird, daß die Impulsbreite der Spannung τa beträgt, wird die Röhrenspannung Ex auf einen Maximalwert (0.63 E2) zum Zeitpunkt t = τa gesetzt.
• Andererseits ist bei der Vorrichtung gemäß dieser in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform die Windungszahl der Sekundärwicklung von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n auf 1/n von der des Hochspannungstransformators 3 der herkömmlichen Vorrichtung (Fig. 1) gesetzt. Da die Induktanz einer Spule sich proportional zum Quadrat seiner Windungszahl ändert, wird die Sekundärinduktanz zu L2/n2 , und die Sekundärspannung wird zu E2/n für jeden der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n. Ferner ist die Last an jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n im wesentlichen gleich einem Wert, der durch Division der Last Rx der herkömmlichen Vorrichtung durch n erhalten wird, sie wird also zu Rx/n. Als Ergebnis kann das Ersatzschaltbild des Apparats gemäß Fig. 5 wie in Fig. 6B gezeigt dargestellt werden.
• Im Sekundärbereich von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n drückt sich die Zeitkonstante τb entsprechend der obigen Beschreibung bezogen auf Fig. 6A wie folgt aus :
• τb = (L2/n²) / (Rx/n) = (L2/Rx)/n = τa/n ... (5)
• Eine an die Last Rx/n angelegte Spannung E3 drückt sich wie folgt aus :
• E3 = E2 (1 - e-t/τb) / n ... (6)
• Die an die Röntgenröhre 15 angelegte Spannung Ex ergibt sich durch serielles Addieren der Klemmenspannungen E3 der Lasten:
• Ex = n E3 = E2 (1 - e-t/τb) ... (7)
• Das bedeutet, wie durch eine Kurve B in Fig. 7 gezeigt, daß zum Zeitpunkt t = τb die Röhrenspannung auf 0.63 E2 gesetzt ist, die zum Zeitpukkt t = τa in der herkömmlichen Vorrichtung erreicht wurde. In diesem Fall, da τb = τ/n gilt, wie durch Gleichung (5) gezeigt, wird die Zeitkonstante der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform (Fig 5) auf 1/n von der der herkömmlichen Vorrichtung (Fig. 1) gesetzt, und daher wird deutlich, daß die Frequenz der Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n n Male erhöht werden kann, da dieselbe Spannung erhalten wird, wenn die lmpulsbreite des Ausgangssignals des Frequenzkonverters 12 auf τb gesetzt ist.
• Wenn bei dem in Fig. 6A gezeigten herkömmlichen Hochspannungstransformator die Schaltimpulsbreite des Frequenzkonverters 2 einfach von τa auf das 1/n-fache (= τb) zum Erhöhen der Frequenz gesetzt wird, wird der Spitzenwert der durch die Gleichung (4) ausgedrückten Röhrenspannung Ex kleiner, wie durch die Kurve C in Fig. 7 gezeigt, und die nutzbare Energie wird einfach geringer, wie durch den schraffierten Bereich angedeutet.
• Wie oben beschrieben, ist der Hochspannungstransformator in eine Mehrzahl (zum Beispiel n) von Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n mit kleinem Volumen unterteilt (die Windungszahl der Primärwicklung bleibt unverändert und die Windungszahl der Sekundärwicklung ist auf das 1/n-fache des ursprünglichen Werts verringert), die Primärwicklungen der unterteilten Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n sind zueinander parallel zwischen den Ausgangsanschlüssen des Frequenzkonverters 12 geschaltet, und eine durch eine Reihenaddition der gleichgerichteten Werte der Ausgänge der jeweiligen Transformatoren erhaltene Spannung wird an die Röntgenröhre 15 angelegt. Daher kann die Sekundärinduktanz von jedem der Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n auf das 1/n2 -fache des ursprünglichen Werts verringert werden, und als Ergebnis wird die Obergrenze der Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters 12 um das n-fache erhöht. Daher kann ein den Frequenzkonverter 12 enthaltender Apparat klein und mit geringem Gewicht hergestellt werden. Da die Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters 12 auf etwa 100 KHz oder auf eine den Audiofrequenzbereich übersteigende Frequenz angehoben werden kann, kann die Erzeugung von Geräusch, ein Problem in der herkömmlichen Vorrichtung, vermieden werden. Da ferner die Ausgangssteuerung des Frequenzkonverters 12 mit höherer Frequenz erfolgen kann, weil dessen Ausgangsfrequenz ansteigt, kann die an die Röntgenröhre 15 angelegte Hochspannung unter Ausnutzung der Rückkopplung genau eingestellt werden. Da ferner der Hochspannungsbrumm in dem Maße kleiner wird, wie die Frequenz ansteigt, kann eine flache Hochspannungswellenform erreicht werden. Zusätzlich kann, wie durch die Kurve B in Fig. 7 gezeigt, die Anstiegscharakteristik der Röhrenspannung verbessert werden, und es wird einfach, eine Hochspannung in Impulsform an die Röntgenröhre 15 anzulegen und Röntgenstrahlen nur zu den notwendigen Zeitpunkten zu erzeugen, wodurch es möglich wird, die Menge der Röntgenstrahlung auf ein Objekt zu reduzieren. Bevorzugt werden die Kerne der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n unter Benutzung von Ferrit oder dergleichen gebildet, das eine gute Frequenzcharakteristik aufweist, um die hohe Betriebsfrequenz zu erreichen. Ferner ist es auch möglich, die Ausgänge der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n in Reihe zu schalten, anstatt die Transformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n mit den jeweiligen Gleichrichtern 14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n zu verbinden, und die in Reihe verbundenen Spannungen mittels eines einzigen Gleichrichters gleichzurichten. Zusätzlich ist es möglich, Resonanzkondensatoren im Primärbereich von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n in Reihe oder parallel zu schalten. Der Frequenzkonverter kann die Ausgangsspannung zusätzlich zur Ausgangsfrequenz mittels einer Pulsbreitenmodulation (PWM) zum Ändern der Impulsbreite des Schaltimpulses ändern.
• Nachfolgend werden eine Verbesserung des in Fig. 5 gezeigten Apparats betreffende Varianten erläutert. Bei dem herkömmlichen Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen sind der Hochspannungstransformator und der Hochspannungsgleichrichter in einem mit Isolieröl gefüllten Behälter enthalten. Da der Behälter im wesentlichen vollständig mit Isolieröl gefüllt ist, werden dessen Volumen und Gewicht sehr hoch. In diesem Fall wird dessen Wartung problematisch, und es entsteht das Problem, daß Öl aus dem Behäter leckt und die Umgebung verschmutzt. Da bei dem in Fig. 5 gezeigten Apparat der Transformator in eine Mehrzahl von Transformatoren geringen Volumens unterteilt ist, sind der Hochspannungstransformator und der Hochspannungsgleichrichter in einem Behälter kleinen Volumens aufgenommen und können in eine Einheit mit festem Isoliermaterial einschließlich Gel-Isoliermaterial vergossen werden. Spritz- oder gießfähiges Isoliermaterial, wie Epoxidharz und Material, wie Silikongel, das verfestigt ist, aber eine physikalische Eigenschaft zwischen flüssig und fest aufweist, können als Beispiele für das obige Isoliermaterial genommen werden. Da Silikongel eine vorteilhaft hohe Frequenzcharakteristik aufweist, kann es bevorzugt als Isoliermaterial für die zum Erreichen einer hohen Frequenz entwickelten Vorrichtung benutzt werden. Jede Formeinheit kann aus einem einzelnen Transformator 13&sub1; und einem einzelnen Gleichrichter 14&sub1;, wie in Fig. 8 gezeigt, aufgebaut sein, oder aus einer Mehrzahl von Transformatoren 13&sub1; bis 13i und einer Mehrzahl von Gleichrichtern 14&sub1; bis 14i, wie in Fig. 9 gezeigt. Ferner, wie in Fig. 10 gezeigt, sind nur die Sekundärwicklung des Transformators 13&sub1; und der Gleichrichter 14&sub1; vergossen, und es ist nicht stets notwendig, die Primärwicklung des Transformators zu vergießen. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, können der Hochspannungstransformator und der Gleichrichter getrennt vergossen werden, und sie werden durch Verbindungsstücke oder Kabel verbunden. Daher können wahlweise verschiedene Kombinationen der Formstücke gebildet werden.
• Im Gegensatz zur herkömmlichen Vorrichtung, bei welcher ein großer Hochspannungstransformator und Gleichrichter in einem Behälter enthalten ist, macht der Einsatz der obigen Formeinheiten es unnötig, Isolieröl in einen unnötigen Raum einzufüllen, so daß ein kleiner und leichtgewichtiger Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen realisiert werden kann, der leicht durch Zusammenfügen der Einheiten zusammengesetzt werden kann, und bei dem jede Formeinheit ersetzt werden kann, zum Erreichen leichter Wartung. Da ferner die dielektrische Durchbruchspannung von festem Isoliermaterial höher als die von Isolieröl ist, kann ein hohes Isoliervermögen erreicht werden, und Größe und Gewicht können leicht verringert werden. Der kleine und leichtgewichtige Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen benötigt in einem Krankenhaus oder dgl. nur geringen Raum zur Installation und kann leicht transportiert werden.
• Anschließend wird eine Ausfürungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Fig. 11 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. Teile, die denen des Apparats gemäß Fig. 5 gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren detaillierte Beschreibung entfällt. Bei dem Apparat gemäß Fig. 5 ist nur ein Frequenzkonverter 12 vorgesehen, während bei der zweiten Ausftrungsform nach Fig. 11 der Frequenzkonverter ebenfalls in n Frequenzkonverter, wie der Transformator, unterteilt ist. Frequenzkonverter 12&sub1;, 12&sub2;, ... 12n, die parallel geschaltet sind, sind mit der Wechselspannungsquelle 11 verbunden. Die Ausgangssignale der Frequenzkonverter 12&sub1;, 12&sub2;, ... 12n werden Gleichrichtern 14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n über Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n zugeführt. Kondensatoren CR sind jeweils in Reihe zu den Sekundärwicklungen der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n geschaltet, zum Bilden von Reihenresonanzkreisen im Sekundärbereich der Transformatoren.
• Bei dieser Ausführungsform kann dieselbe Wirkung wie bei dem Apparat gemäß Fig. 5 erzielt werden. Ferner werden in dem Fall, in dem ein Teil der Frequenzkonverter 12&sub1;, 12&sub2;, ... 12n in den ruhenden bzw. nicht arbeitenden Zustand gesetzt ist, die Ausgangssignale von denjenigen der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n, die mit den verbleibenden Frequenzkonvertern verbunden sind, durch die Hochspannungstransformatoren überbrückt, die mit den in den Ruhezustand gesetzten Frequenzkonvertern verbunden sind, und sie werden der Röntgenröhre 15 zugeführt. Daher kann die Röhrenspannung grob durch Steuern der Anzahl von in den Ruhezustand gesetzten Frequenzkonvertern gesteuert werden. Wenn ferner die Frequenzkonverter PWM-gesteuert werden, kann die Röhrenspannung präzise gesteuert werden.
• Da ferner gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Frequenzkonvertern benutzt wird, werden, selbst wenn ein Teil der Frequenzkonverter defekt wird, die defekten Frequenzkonverter in den Ruhezustand gesetzt und die anderen Frequenzkonverter, die sonst in den Ruhe- oder non-operativen Zustand gesetzt werden würden, können anstelle der defekten Frequenzkonverter benutzt werden. Daher wird es möglich zu verhindern, daß der gesamte Apparat zur Erzeugung von Röntgenstrahlen in den nicht betriebsfahigen Zustand versetzt wird. Die maximale Ausgangsleistung wird um einen Betrag entsprechend der Anzahl von defekten Frequenzkonvertern verringert, da aber selten die maximale Ausgangsleistung benutzt wird, kann die Vorrichtung ohne praktische Beeinträchtigung benutzt werden, während der defekte Frequenzkonverter ersetzt wird. Mit der Sekundärwicklung von jedem der Hochspannungstransformatoren 13&sub1;, 13&sub2;,... 13n ist ein Resonanzkondensator CR verbunden, zum Erzeugen einer LC-Reihenresonanz, womit verhindert wird, daß die an die Röntgenröhre 15 angelegte Spannung abgesenkt wird, und zum weiteren Erhöhen der Frequenz der Frequenzkonverter.
• Nachfolgend wird die Charakteristik der Ausfünrungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Eine Ersatzschaltung des Sekundärbereichs von einem der Hochspannungstransformatoren 13 ist in Fig. 12 gezeigt. Da der Frequenzkonverter 12 einen Schaltvorgang für eine Rechteckwelle bewirkt, nimmt die Sekundärspannung E2 eine rechteckige Wellenform bei dem in Fig. 6A gezeigten Apparat an, nimmt aber im wesentlichen eine Sinus-Wellenform bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an, bei der der Sekundärbereich in Resonanz gebracht ist. Unter der Annahme, daß die Frequenz der Sinuswelle f und ω = 2 π f ist, und falls die Kapazität des Kondensators CR so bestimmt wird, daß gemäß der allgemeinen Theorie der Reihenresonanz die Bedingung ω L2 = 1/ω CR bei der Frequenz f gilt, dann wird die Impedanz des Sekundärbereichs zu nur Rx. Daher kann, selbst wenn die Frequenz f auf eine hohe Frequenz gesetzt wird, die Beeinflussung der Röhrenspannung Ex durch die Sekundärinduktanz L2 vernachlässigt werden, wie in Fig. 12 gezeigt. Allerdings weisen die Spannungen über L2 und CR in Fig. 12 umgekehrte Phasen auf und löschen einander aus. Es werden EL = E2 ω L2/Rx und EC = E2/(ω CR Rx) erhalten, die im allgemeinen größer als E2 werden. Daher kann bei der in Fig. 6A gezeigten herkömmlichen Vorrichtung Resonanz im Sekundärbereich nicht erreicht werden, wenn die dielektrische Spannung des Transformators und des Kondensators und der Isoliermaßnahmen in Betracht gezogen werden.
• Da allerdings bei der vorliegenden Erfindung der Hochspannungstransformator in n Bereiche unterteilt ist, können E2 und L2 in den jeweiligen Resonanzkreisen auf E2/n und L2/n2 verringert werden, wie in Fig. 6B für den Apparat der Fig. 5 gezeigt. Insbesondere ändert sich L2 umgekehrt mit dem Quadrat des Divisors n und wird extrem klein. Da auf diese Weise die Spannungen EL und EC über L2 und CR auf kleine Werte gedrückt werden können, kann der Vorteil der Resonanz im Sekundärbereich des Transformators wirksam ausgenutzt werden.
• Wie oben beschrieben, wird in dem Fall, in dem nur der Hochspannungstransformator, wie bei dem Apparat gemäß Fig. 5, unterteilt ist, die Sekundärinduktanz kleiner, was es ermöglicht, daß ein Hochfrequenzbetrieb durchgeführt werden kann. Allerdings kann in dem Fall, in dem der Resonanzkreis wie beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel im Sekundärbereich des Transformators gebildet ist, die Beeinflussung durch die Sekundärinduktanz L2 vollständig vernachlässigt werden, wodurch eine höhere Betriebsfrequenz erreicht werden kann. Alternativ kann in dem Fall, in dem die Vorrichtung auf derselben Frequenz betrieben wird wie derjenigen, die erreicht wird, wenn kein Resonanzkreis im Sekundärbereich gebildet ist, der Divisor innerhalb des zulässigen Bereichs der Durchbruchspannung und des Kondensators verringert werden. Da die Primärspannung durch den Resonanzkreis im Sekundärbereich zu einer Sinuswelle wird, ist es möglich, Schalttransistoren in den Frequenzkonvertern zu dem Zeitpunkt ein- oder auszuschalten, wenn durch sie kein Strom hindurchfließt. Daher kann die Wärmeerzeugung des Apparats unterdrückt werden, wodurch die Effizienz des Apparats verbessert wird. Die Sekundärresonanz ist nicht auf die oben beschriebene Reihenresonanz beschränkt, sondern kann eine durch Parallelschaltung eines Kondensators mit der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators erhaltene Parallelresonanz sein.
• Fig. 13 zeigt die Charakteristik der an die Röntgenröhre 15 angelegten Spannung, die erhalten wird, wenn der Sekundärbereich in den Resonanzmodus gebracht wird. In Fig. 13 beschreiben durchgezogene Linien Ex, und die Kurven A und B hiervon zeigen den Fall der herkömmlichen Vorrichtung bzw. den Fall, daß der Transformator in n Bereiche unterteilt ist, wie die Kurven A und B in Fig. 7. Die Kurve D zeigt eine Charakteristik, die erhalten wird, wenn der Hochspannungstransformator unterteilt ist und der Sekundärbereich in den Resonanzmodus gesetzt ist.
• Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Anstiegscharakteristik der Kurven A und B, die durch die Sekundärinduktanz des Transformators eingeschränkt wird, mittels der Resonanz, wie durch die Kurve D gezeigt, verbessert. Daher kann eine höhere Betriebsfrequenz erreicht werden, und die an die Röntgenröhre angelegte Spannung kann weiter erhöht werden. In Fig. 13 bezeichnet fr die Resonanzfrequenz. Ferner zeigen die gestrichelten Kurven die Spannungen, die durch Multiplikation der Klemmenspannungen EL und EC der Sekundärinduktanz L2 und des Kondensators CR mit dem Divisor n erhalten werden.
• Wie oben beschrieben, kann die Betriebsfrequenz durch Einsatz der Sekundärresonanz weiter verbessert werden, und der Divisor kann verringert werden, verglichen mit dem Fall, daß der Hochspannungstransformator einfach unterteilt ist.
• Ferner können die unter Bezug auf den Apparat gemaß Fig. 5 erläuterten Varianten auch auf die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden, und wie der Apparat gemäß Fig. 5 können die Transformatoren und Gleichrichter wahlweise in jeweilige Einheiten mit festem Isoliermaterial eingeformt werden. Es ist nicht notwendig, jeweils die Transformatoren mit den Frequenzkonvertern zu verbinden. Es ist möglich, mehrere Transformatoren an einen einzigen Frequenzkonverter anzuschalten.
• Wie oben beschrieben, kann die Ausgangsfrequenz des Frequenzkonverters erhöht werden, durch Unterteilen des Transformators zum Erhöhen der Ausgangswechselspannung des die Frequenz der Wechselspannung erhöhenden Frequenzkonverters in eine Mehrzahl von Transformatoren kleinen Volumens, bei denen die Windungszahl der Sekundärwicklung kleiner als die des ursprünglichen Transformators ist, durch Zusammenaddieren der Ausgangssignale der Transformatoren und durch Anlegen des Ergebnisses der Addition an die Röntgenröhre. Als Ergebnis kann der Apparat klein und leichtgewichtig hergestellt werden, die Steuergeschwindigkeit kann bei erhöhter Frequenz verbessert werden, und die Ausgangsspannung kann durch Rückkoppeln des Ausgangs präzise gesteuert werden. Ferner können Zusammenbau und Wartung durch Einformen der unterteilten Transformatoren und der Gleichrichter in jeweilige Einheiten mit festem Isoliermaterial (einschließlich Gel-Isoliermaterial) vereinfacht werden. Zusätzlich können in der Ausgangsspannung enthaltene Brummanteile durch den Hochfrequenzbetrieb leicht unterdrückt und stabilisiert werden, und die Röntgenstrahlen können leicht in Impulsform erzeugt werden. Wenn die Frequenz erhöht wird, besitzt der Schaltimpuls eine solche Frequenz, daß die Erzeugung von wahrnehmbarem Geräusch verhindert werden kann. Wenn ferner eine Mehrzahl von Transformatoren mit einer Mehrzahl von Frequenzkonvertern verbunden ist, kann jeder Frequenzkonverter einfach und unabhängig gesteuert werden, so daß die Präzision der Erzeugung der Röntgenstrahlen verbessert werden kann, und selbst wenn einer oder einige der Frequenzkonverter defekt werden, kann der Apparat durchgehend unter Benutzung der verbleibenden Frequenzkonverter benutzt werden. Die Frequenz wird weiter durch Anschalten eines Kondensators an die Sekundärwicklung des Transformators erhöht, wodurch ein LC-Resonanzkreis gebildet und ein Resonanzbetrieb bewirkt wird.

Claims (8)

1. Apparat zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, der mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist und zum Anlegen einer Gleichspannung an eine Röntgenröhre dient, mit

einer Frequenzkonvertereinrichtung (12), die mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist, zum Empfangen einer Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle und zum Erhöhen der Frequenz der Eingangswechselspannung;

einer Vielzahl von Transformatoreinrichtungen (13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n), die parallel mit einem Ausgang der Frequenzkonvertereinrichtung (12) verbunden sind, zum Empfangen der Ausgangsspannung der Frequenzkonvertereinrichtung (12) und zum Erhöhen der Eingangsspannung; und

Gleichrichtereinrichtungen (14&sub1;, 14&sub2;, ... 14n), die die Ausgangssignale der Vielzahl von Transformatoreinrichtungen (13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n) gleichrichten und eine der

Summe der Ausgangssignale der Transformatoreinrichtungen entsprechende Gleichspannung an die Röntgenröhre anlegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vielzahl von Transformatoreinrichtungen jeweils Resonanzkondensatoren (CR) aufweist, die jeweils mit einer Sekundärwicklung einer entsprechenden Transformatoreinrichtung verbunden sind.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Frequenzkonvertereinrichtung eine Vielzahl von parallel mit der Wechselspannungsquelle verbundenen Frequenzkonvertereinrichtungen (12&sub1;, 12&sub2;, ... 12n) umfaßt, zum Empfangen einer Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle und zum Erhöhen der Frequenz der Eingangswechselspannung, und

die Vielzahl von Transformatoreinrichtungen (13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n mit den Ausgängen der Vielzahl von Frequenzkonvertereinrichtungen (12&sub1;, 12&sub2;, ... 12n) verbunden ist.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinrichtung eine Vielzahl von Gleichrichtern (14&sub1;, 14&sub2;,... 14n) aufweist, die jeweils mit Ausgangsanschlüssen der Vielzahl von Transformatoreinrichtungen (13&sub1;, 13&sub2;, ... 13n) verbunden sind.

4. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sekundärwicklung der Vielzhhl von Transformatoreinrichtungen und die Gleichrichtereinrichtung in festes oder Gel-Isoliermaterial eingeformt sind.

5. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kombinationen von mindestens Sekundärwicklungen der Vielzahl von Transformatoreinrichtungen und der Vielzahl von Gleichrichtern einzeln oder in vorbestimmter Anzahl gleichzeitig in festes oder Gel-Isoliermaterial eingeformt sind.

6. ApparatnacheinemderAnsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

jede der Vielzahl von Transformatoreinrichtungen eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und Kerne aufweist, auf welche die Primär- und die Sekundärwicklung gewickelt sind, wobei die Kerne aus Ferrit gebildet sind.

7. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzkonvertereinrichtung Mittel zum Steuern der Impulsbreite oder des Impulsintervalls von an einen Schalttransistor angelegten Schaltimpulsen aufweist, zum Steuern der Ausgangsspannung der Frequenzkonvertereinrichtung, wobei der Schalttransistor in der Frequenzkonvertereinrichtung enthalten ist.

8. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Transformatoreinrichtungen jeweils mit der Vielzahl von Frequenzkonvertereinrichtungen verbunden ist.