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Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung
für den Glüh- oder Heizfaden einer Röntgenröhre und ein
Verfahren zum Steuern des Glüh- oder Heizfadenstroms einer
Röntgenröhre.
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Der Strom durch den Faden (Glüh- oder Heizfaden)
einer Röntgenröhre ist einer der Parameter, der bei einer
Röntgenaufnahme zu steuern ist. Im allgemeinen ist der
Faden in Reihe mit einer Konstanstromquelle geschaltet.
Eine strombegrenzende oder stromsteuernde Einrichtung ist
in Reihe zwischen die Konstantstromquelle und den Faden
geschaltet, um die durch den Faden fließende Strommenge zu
steuern. Die Strommenge steuert das Ausmaß an Energie, das
dem Faden zugeführt wird, und damit dessen Temperatur. Die
Temperatur hat Einfluß auf die Rate, mit der Elektronen
ausgekocht werden und damit auf den Röhrenstrom oder
Elektronenfluß zwischen der Kathode und Anode. Falls beim
Betrieb der Röntgenröhre der Faden überhitzt würde, wäre die
Bestrahlung des Patienten überdosiert und die Anode könnte
beschädigt werden.
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Im allgemeinen wird der Faden nur für eine Aufnahme
oder Belichtung auf Temperatur gebracht, und er befindet
sich auf einer verminderten Temperatur zwischen den
Belichtungen. Eine der Schwierigkeiten mit einer
Konstantstromquelle besteht darin, daß sie den Faden nur allmählich oder
relativ langsam auf die ausgewählte Betriebstemperatur
bringt.
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Eine Lösung zum Bringen des Fadens auf seine
Betriebstemperatur ist beschriben im US-Patent Nr. 4 775 992 von
Resnick und Dupuis. Um den Faden schneller auf Temperatur
zu bringen, wird beim anfänglichen Einschalten des
Fadenstroms ein Stromstoß angewendet. Das bedeutet, daß anstelle
der Zufuhr des normalen Betriebsstroms zum Faden für eine
ausgewählte kurze Zeitdauer ein höherer Strom verwendet
wird. Im allgemeinen ist eine Strombegrenzungseinrichtung
zwischen der Stromquelle und dem Faden vorgesehen, um zu
verhindern, daß der Faden überbeansprucht wird. Das bedeutet,
daß die Strombegrenzungseinrichtung den Faden an einer
Strmaufnahme hindert, die den Faden auf eine Temperatur
brächte, bei der ein Röhrenstrom enststände, der zu einer
Hitzeschädigung der Anode führen würde.
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Bei manchen Röntegenröhrenenergieversorgungen wird
der Faden von einer Spannungsquelle anstatt einer Stromquelle
angesteuert. Bei einer Spannungsquelle ist die dem Faden
zugeführte Leistung proportional zu V²/R, wobei V die Spannung
und R der Fadenwiderstand ist. Da bei kaltem Faden der
Fadenwiderstand gering ist und erst bei wärmer werdendem
Faden ansteigt, ist der von einer Konstantspannungsquelle
gelieferte tatsächliche Strom durch den Faden anfangs höher
und fällt dann in Richtung auf einen stationären
Betriebsstrom ab, wenn sich der Faden erwärmt. Dies stellt einen
eingebauten Schutz gegen Überhitzung eines Fadens dar, der
von der vorangegangenen Belichtung noch heiß ist. Obgleich
eine Spannungsquelle den Faden schneller auf Temperatur
bringt, ist sie relativ schwierig zu steuern.
Typischerweise ist der Röntgenröhrenstrom relativ hoch und der
Widerstand relativ gering. Darüber hinaus fließt der gleiche Strom
durch relativ lange Energieversorgungskabel zwischen der
Energieversorgung und der Röntgenröhre. Der Widerstand der
Kable hat die Tendenz, den Widerstand des Fadens zu
übertreffen. Da die tatsächliche Stromzufuhr von der Beziehung
V²/R gesteuert wird, wobei R die Summe dieser Widerstände
ist, läßr die Genauigkeit der Fadenstromsteuerung erheblich
mehr zu wünschen übrig als bei einer Konstantquelle.
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Nach einem Aspekt der Erfindung ist für den Faden
einer Röntgenröhre eine Energieversorgungsschaltung
vorgesehen, die enthält: eine Energieversogung, die mit einem
Kathodenfaden einer Röntgenröhre verbunden ist und wahlweise
als Konstantstromquelle oder Konstantspannungsquelle
funktioniert, und eine Steuereinrichtung, die derart ausgebildet
ist, daß sie die Energieversorgung wahlweise veranlaßt, als
eine Konstantspannungsquelle zu funktionieren, um eine
Konstantspannung an den Röntgenröhrenfaden zu legen, während
der Röntgenröhrenfaden gerade auf eine ausgewählte
Betriebstemperatur
gebracht wird, und derart ausgebildet ist, daß
sie die Energieversorgung veranlaßt als Konstantstromquelle
zu funktionieren, nachdem der Röntgenröhrenfaden im
wesentlichen die Betriebstemperatur erreicht hat, um durch den
Faden einen Konstantstrom zu schicken, der den Faden im
wesentlichen auf der ausgewahlten Temperatur hält.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist zum
Steuern eines Röntgenröhrenfadenstroms ein Verfahren
vorgesehen, bei dem eine Konstantspannung an einen
Röntgenröhrenfaden gelegt wird, während der Faden gerade auf eine
ausgewählte Betriebstemperatur gebracht wird, und bei dem, sobald
der Röntgenröhrenfaden im wesentlichen die
Betriebstemperatur erreicht hat, durch den Faden ein Konstantstrom geschickt
wird, um den Faden im wesentlichen auf der ausgewählten
Temperatur zu halten.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie
einen Röntgenröhrenfaden schneller auf Temperatur bringt.
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Ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß sie
den Röntgenröhrenfadenstrom genauer steuert.
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Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
sie die Röntgenröhrenanoden gegenüber übermäßigen
Röhrenströmen zuverlässig schützt, die sonst durch überhitzte
Fäden verursacht werden.
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Eine Röntgenröhrenfadenenergieversorgungsschaltung
nach der Erfindung wird nachstehend beispielshalber unter
Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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FIG. 1 eine Diagrammdarstellung der
Röntgenröhrenfadensteuerschaltung,
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FIG. 2 eine Diagrammdarstellung der Betriebsweise
der Steuerschaltung von FIG. 1 und die resultierende Wirkung
auf die Röntgenröhrenfadentemperatur und damit den
Röhrenstrom, und
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FIG. 3 eine detailliertere Darstellung der
Röntgenröhrenfadensteuerschaltung nach FIG. 1.
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Zunächst wird auf FIG. 1 Bezug genommen. Eine
Steuereinrichtung A, wie beispielsweise ein Takt- oder
Zeitgeber, steuert wahlweise, wenn (1) ein Kathodenfaden 10
einer Röntgenröhre B auf einem niedrigen Standby- oder
Bereitschaftsstrom zu halten ist, (2) der Faden zu heizen
ist, und (3) der Faden auf einer ausgewählten
Betriebstemperatur zu halten ist, die einen ausgewählten Strom
zwischen den Kathodenfaden und einer Anode der
Röntgenröhre hervorruft. Die Steuereinrichtung A steuert eine
Energieversorgung C, die mit dem Faden 10 in Reihe
geschaltet ist, in einer solchen Weise, daß die Energieversorgung
als eine Konstantspannungsquelle 12 wirkt, wenn der Faden
erwärmt oder auf Temperatur gebracht werden soll, und als
eine Konstantstromquelle 14 wirkt, wenn die Röntgenröhre B
ein Strahlenbündel 16 über einen Patientenaufnahmebereich
nach einem röntgenstrahlsensitiven Medium 18 projiziert.
Eine aktive Strombegrenzungseinrichtung 20 begrenzt den
Stromfluß durch den Röntgenröhrenfaden.
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Es wird jetzt auch auf FIG. 2 Bezug genommen. Die
Steuereinrichtung A verbindet eine als Schalter arbeitende
Schalteinrichtung 30 mit einer
Niedrigstrom-Bereitschaftsenergieversorgung 32, wenn die Röntgenröhre in Bereitschaft
steht, wie es in FIG. 2 während der Zeit T&sub0; bis T&sub1; gezeigt
ist. Während einer anfänglichen Vorbelichtungsperiode
zwischen T&sub1; und T&sub2; ist die Schalteinrichtung 30 auf die
Konstantspannungsquelle 12 geschaltet, so daß jetzt die
Energieversorgung aus dieser Konstantspannungsquelle
erfolgt. Der Strom durch den Faden 10 ist daher proportional
zu V²/R, wobei V die Spannung der Konstantspannungsquelle 12
und R der Widerstand des Fadens ist. Der Widerstand des
Fadens ändert sich mit der Temperatur. Der Faden hat einen
relativ niedrigen Widerstand, wenn er kalt ist, und einen
höheren Widerstand, wenn er warm ist. Deshalb hat der durch
den Faden fließende Strom ein Maximum 34 zum Zeitpunkt T&sub1;
und klingt danach im allgemeinen exponentiell, wie es bei
36 gezeigt ist, in Richtung auf einen stationären
Betriebsstrom 38 ab. Auf diese Weise wird im Anschluß an die Zeit
T&sub1; ein Stromimpuls verursacht.
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Falls die Röntgenröhre kurz zuvor betrieben worden
ist, und der Faden noch relativ warm ist, fällt die
anfängliche Stromspitze bei 34 niedriger aus. Auf diese Weise
regelt sich die Größe des Stromstoßes von selbst in
Übereinstimmung mit der gerade herrschenden Fadentemperatur.
Dadurch wird verhindert, daß der Faden über die ausgewählte
Betriebstemperatur hinaus erhitzt wird, und zwar unabhängig
davon, ob der Faden warm oder kalt ist. Der anfängliche
Stromstoß 34 veranlaßt einen relativ rapiden
Temperaturanstieg, wie es bei 40 gezeigt ist, in Richtung auf eine
gewünschte Betriebstemperatur 42 und zwar im Vergleich zu
einer langsameren Erhitzung mit einer Konstantstromquelle,
wie es bei 44 angedeutet ist.
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Wenn zum Zeitpunkt T&sub2; der Fadenstrom und die
Temperatur im wesentlichen ihre stationären Betriebszustände
erreicht haben, veranlaßt die Steuereinrichtung A, daß die
Schalteinrichtung 30 den Faden in Reihe mit der
Konstantstromquelle 14 verbindet. Die Steuereinrichtung 30 kann
einen Fadenstromsensor, einen Zeitgeber oder dergleichen
enthalten. Die Konstantstromquelle erzeugt einen
Konstantstrom in der Größe des stationären Stroms 38. Dadurch, daß
der Strom im wesentlichen konstantgehalten wird, wird
auch die Temperatur des Fadens im wesentlichen
konstantgehalten, und zwar bei der gewünschten ausgewählten
Betriebstemperatur 42. Selbstverständlich kann die
Steuereinrichtung A geeignete Einstellmöglichkeiten enthalten,
daß der Faden auf irgendeine einer Vielzahl ausgewählter
Betriebstemperaturen gebracht werden kann, beispielsweise
dadurch, daß aus einer Vielzahl von Konstantstromquellen
eine ausgewählt wird oder der Pegel der Konstantstromquelle
eingestellt wird. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen,
daß die Röntgenröhre mit einem auswählbaren Röhrenstrom
(mA) betrieben werden kann.
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Es wird jetzt auch auf FIG. 3 Bezug genommen. Die
Steuereinrichtung A enthält ein Bedienungsfeld 50, an dem
der Bediener oder Benutzer ausgewählte Aufnahme- oder
Belichtungsparameter einstellen kann, beispielsweise den
Röhrenstrom, die Belichtungsdauer und die Betriebsspannung
der Röntgenröhre. Ein geeigneter Freigabeimpuls wird einem
Zeitgeber 52 zugeführt, der daraufhin einen Freigabeimpuls
an einem Ausgang 54 erzeugt, welcher den
Vorbelichtungsvorgang auslöst, wobei dies alles zum Zeitpunkt T&sub1; geschieht.
Das am Ausgang 54 auftretende Vorbelichtwigssignal
veranlaßt eine einstellbare Energiequelle 14', daß sie wie eine
effektive Konstantspannungsquelle funktioniert. Mit Hilfe
eines Spannungsabgriffes 60 und eines gemeinsamen Abgriffes
62 wird die Spannung am Faden 10 erfaßt und gemessen. Wie
es aus der Zeichnung ersichtlich ist, erfolgt die
Spannungserfassung an einem Transformator 64, an den der Faden 10
angeschlossen ist. Die Fadenspannung wird somit indirekt
gemessen. Eine Spannungssteuer- oder
Spannungsregeleinrichtung 70 stellt den Strompegel der Energiequelle 14' so nach,
daß die Spannung am Faden konstantgehalten wird. Die
Konstantspannungsregeleinrichtung 70 enthält bei der betrachteten
Ausführungsform einen Strom/Spannungs-Umsetzer 72, der den
Fadenstrom, welcher dem ausgewählten Röhrenstrom bei der
ausgewählten Röhrenspannung entspricht, in eine entsprechend
ausgewählte Fadenspannung umsetzt. Eine Vergleichseinrichtung
74 vergleicht die überwachte Spannung mit der ausgewählten
Spannung des Spannungsumsetzers 72 und liefert ein
Ausgangssignal in Übereinstimmung mit der dazwischen auftretenden
Differenz. Auf diese Weise wird der Pegel des Stroms, der
von der Energie- oder Stromquelle 14' erzeugt wird, in einer
solchen Weise gesteuert oder geregelt, daß die Fadenspannung
konstantgehalten wird, d.h., daß die Stromquelle 14' effektiv
wie eine Konstantspannungsquelle wirkt oder funktioniert.
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Ein Stromabgriff 80 ist auf der zum gemeinsamen Abgriff
62 entgegengesetzten Seite eines Widerstands 82 vorgesehen,
der in Reihe mit der Stromquelle 14' liegt und ebenso
effektiv in Reihe mit dem Faden 10 geschaltet ist. Die am
Widerstand 82 abfallende Spannung ist zu dem Strom proportional,
der durch den Faden 10 fließt, so daß diese Spannung ein
Fadenstromrückführsignal darstellt. Eine einen Stromvergleich
ausfuhrende Stromsteuereinrichtung 20' steuert oder regelt
die Stromquelle 14' derart, daß der Strom im wesentlichen auf
dem ausgewählten Fadenstrom gehalten wird. Sollte der
Transformator 64 ein anderes Übersetzungsverhältnis als 1:1 haben,
würde der von der Stromquelle 14' getriebene Strom auf einem
Wert gehalten werden, der dieses Übersetzungsverhältnis
berücksichtigt, also auf einem Verhältnis gegenüber dem
Fadenstrom, das dem Windungsverhältnis des Transformators 64
entspricht. Die bei dem dargestellten Ausfühuungsbeispiel
gezeigte Stromsteuereinrichtung 20' enthält eine
Vergleichseinrichtung 84, die den ausgewählten Fadenstrom oder ein
Vielfaches davon, wie es durch das Windungsverhältnis des
Transformators und durch die Größe des Widerstands 82
festgelegt ist, mit dem abgefühlten Fadenstrom vergleicht, und
zwar mit dem Ergebnis, daß die Stromquelle 14' in
Übereinstimmung mit der Differenz gesteuert oder geregelt wird, die
dem Vergleich zugrundeliegt.
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Die Zeitgabeeinrichtung oder der Zeitgeber 52 ermöglicht
es, daß die Konstantspannungssteuereinrichtung 70 die
Energie- oder Stromquelle 14' zwischen den Zeitpunkten T&sub1; und T&sub2;
steuert oder regelt und daß nach dem Zeitpunkt T&sub2; die
Stromsteuereinrichtung 20' die Steuerung oder Regelung der Energie- oder
Stromquelle 14' übernimmt. Bei der gezeigten Ausführungsform
weist der Zeitgeber 52 einen Ausgang 90 auf, der eine als
Schalter dienende Schalteinrichtung 92 veranlaßt, die
Energie- oder Stromquelle 14' mit einer Bereitschaftssteuerung zu
verbinden, so daß, wenn keine Aufnahme oder Belichtung
angefordert ist, dem Faden nur ein niedriger Strom zugeführt
wird. Zum Zeitpunkt T&sub1;, bei dem eine Aufnahme oder
Belichtung angefordert wird, liefert der Zeitgeber ein
Ausgangssignal am Ausgang 54, das veranlaßt, daß die
Schalteinrichtung 92 zum Zwecke der Steuerung bzw. Regelung die
Stromquelle 14' mit der Fadenspannungsvergleichseinrichtung 74
verbindet. Wenn beispielsweise zum Zeitpunkt T&sub2; die
Fadenbetriebstemperatur den stationären Wert erreicht hat, liefert
der Zeitgeber 52 ein Ausgangssignal an seinem Ausgang 94, das
veranlaßt, daß die Stromquelle 14' zum Zwecke der Steuerung
bzw. Regelung mit der Fadenstromvergleichseinrichtung 84
verbunden wird. Alternativ kann der Zeitgeber auch das an seinem
Ausgang 54 auftretende Ausgangssignal so verwenden, daß damit
die Vergleichseinrichtung 74 freigegeben wird, und mit dem
Ausgangssignal am Ausgang 94 kann dann in entsprechender
Weise die Fadenstromvergleichseinrichtung 84 freigegeben
werden. Ferner kann die Steuer- oder Regeleinrichtung die
Fadentemperatur oder den Fadenstrom auch direkt messen,
so daß die Zuteilung einer Schätzzeit entfallen kann.