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Spannungserzeuger für Röntgenanlagen
Die Erfindung betrifft einen Spannungserzeuger für Röntgenanlagen. Die derzeit in Verwendung ste- henden Spannungserzeuger für Röntgenanlagen bestehen meistens aus einem Ein- bzw. manchmal auch
Dreiphasen-Hochspannungstransformator, der aus dem Netz gespeist wird. Die vom Transformator gelie- ferte Hochspannung wird gleichgerichtet und an die Röntgenröhre angelegt.
Derartige Röntgenapparaturen, die zur Durchführung von Röntgenaufnahmen geeignet sind, bedingen bekanntlich starke kurzzeitige Belastungen des Speisenetzes, die in der Grössenanordnung von etlichen kVA liegen können, jedoch eine kurze Dauer, beispielsweise von einigen Zehntelsekunden, besitzen. Es liegt daher kein grosser Energieverbrauch vor, doch ergeben sich hohe Spannungsabfälle im Netz, die von Fall zu Fall schwer schätz-und bewertbar sind. Dies bedingt häufige Schwankungen des Röntgeneffektes, nach- dem bekanntlich die Schwärzung von Röntgenfilmen der fünften Potenz der Spannung direkt proportional ist, bei der die Röntgenaufnahme durchgeführt wird.
Es ist ferner in Betracht zu ziehen, dass es zur Erzielung von gleichförmigen Röntgenaufnahmen erfor- derlich ist, dass die eigenen Spannungsabfälle des Netzes, wenn auch nur für die kurzen hier in Betracht kommenden Zeiten, äusserst gering und jedenfalls konstant sind. Mit andern Worten wirken sich die äusseren Netzbelastungen und die durch sie hervorgerufenen Spannungsabfälle äusserst störend aus, nachdem sie Spannungsschwankungen verursachen. Die von der Bedienungsperson des Röntgenaufnahmegerätes vorgesehenen Werte werden daher geändert, was zur Folge hat, dass die erhaltenen Aufnahmen nicht gleichmässig und oft sogar unverwertbar sind.
Man versuchte diese Nachteile durch Anwendung verschiedener Kompensationsschaltungen zu beseitigen, die sich jedoch alle auf die Annahme stützen, dass der Netzwiderstand in jedem Augenblick konstant ist.
In der Praxis sind die Spannungsabfälle des Netzes jedoch keineswegs konstant, so dass eine wirksame und tatsächliche Kompensation sehr problematisch ist. Auch die zahlreichen Stabilisatoren und selbsttätigen Spannungsregler, die zur Beseitigung der erwähnten Nachteile vorgeschlagen wurden, sind nicht imstande, das Problem zur Gänze zu lösen, da sie mit beträchtlichen Zeitkonstanten arbeiten und da sie während der Durchführung von Röntgenaufnahmen für gewöhnlich abgeschaltet werden, um keine gefährlichen Umschaltungen unter Belastung zu haben.
Den Einphasen-Röntgengeneratoren gegenüber brachten die Mehrphasengeneratoren eine eindeutige Verbesserung mit sich, u. zw. sowohl hinsichtlich der Verringerung der Spannungsabfälle des Netzes als auch hinsichtlich der Verbesserung der Röntgenausbeute.
Eine weitere Aufgabe beim Bau von Spannungserzeugern für Röntgenanlagen besteht darin, dass das Bestreben vorliegt, die Expositionszeit zur Durchführung von Röntgenaufnahmen möglichst zu verringern, um gute Röntgenbilder auch von bewegten Organen (insbesondere der Atmungsorgane, des Herzschlages usw.) zu erhalten, ohne dass die Profile verz ; Drrt sind.
In zahlreichen Fällen besteht ferner die Notwendigkeit, bewegliche Röntgenanlagen zu haben, die vom ortsfesten Netz unabhängig sind, wie dies beispielsweise bei fahrbaren Röntgenstationen, wie Feldspitälern, in Gebieten, die kein ortsfestes Lichtnetz besitzen usw. der Fall ist. In diesen Fällen werden zur Zeit rotierende Generatoren, bestehend aus einer Motorgeneratorgruppe zur Anwendung gebracht, die aber verhältnismässig kompliziert und vor allem sperrig sind, so dass sie auf getrennten Fahrzeugen. wie
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Anhängern od. dgl., angeordnet werden müssen.
Die Möglichkeit der Speisung dieser rotierenden Umformergruppen aus Batterien ist deswegen nicht ratsam, weil der Gesamtwirkungsgrad der Umformung äusserst schlecht ist. Es ist bekannt, dass die Wech- selrichter eine Stromart in die andere verwandeln, jedoch kommt es bei diesen Geräten nicht auf eine spezielle Verwendung des erzeugten Stromes an. Ferner ist die Verwendung eines Transformators für die
Verformung und zur Erzeugung der erforderlichen Spannung bekannt. Allerdings wird bei dieser Anlage keine Hochspannung erzeugt.
Durch die Erfindung sollen die Mängel und Nachteile der derzeit üblichen Spannungserzeuger für
Röntgenanlagen beseitigt werden. In erster Linie wurde getrachtet, die Röntgenapparatur vollständig, von den Spannungsabfällen der Speisenetz unabhängig zu machen, keine kurzzeitigen starken Stromaufnahmen zu benötigen, die Abmessungen des Generators klein zu halten und eine konstante Röntgenausbeute sicher- zustellen, wobei die elektrischen Werte im Vergleich zu den üblichen Werten bei gleichbleibender Wir- kung verringert werden sollen. Ein besonderer Gesichtspunkt besteht darin, dass erfindungsgemäss Röntgen- apparaturen geschaffen werden, die unabhängig von einem ortsfesten Speisenetz betrieben werden, ohne die bekannten rotierenden Motor-Generatoren-Umformergruppen heranziehen zu müssen..
Der erfindungsgemässe Röntgengenerator ist dadurch gekennzeichnet, dass er im wesentlichen aus einer
Gleichstromquelle und einem Mehrphasenhochspannungstransformator besteht, dessen primäre Wicklungs- stränge mit den Lamellen eines feststehenden Kollektors verbunden sind, auf dem sich mindestens eine
Bürste dreht, die elektrisch mit der Gleichstromquelle verbunden ist, während die sekundäre Hochspan- nungswicklung an eine Gleichrichterschaltung zur Speisung der Röntgenröhre angeschlossen ist.
Es hat sich herausgestellt, dassmitder erfindungsgemässen Anlage eine wesentliche Herabsetzung der sogenannten Pa- tientendosis, d. h. um etwa 60alto, ermöglicht wird, ein Vorteil, der für sich spricht, wenn man bedenkt, dass neueste Forschungen auf die Schädigung des Organismus bei längerer Einwirkung der Röntgenstrahlen immer wieder hinweisen.
Beim erfindungsgemässen Spannungserzeuger dient der Transformator nicht nur zur Umformung des
Gleichstroms in einen Mehrphasenwechselstrom, sondern er liefert gleichzeitig auch die zur Speisung der
Röntgenröhre benötigte Hochspannung. Die Umformung des Gleichstroms in den mehrphasigen Wechsel- strom erfolgt nach dem bekannten Prinzip des Transverters, der jedoch in umgekehrter Weise wie sonst betrieben wird. Die am ortsfesten Kollektor umlaufende Bürste (bzw. Bürsten), welche die Gleichspannung abwechselnd mit vektoriellen Verschiebungen an die Stränge der Primärwicklung des Transformators anlegt, kann durch einen kleinen, unmittelbar aus der Gleichstromquelle gespeisten Motor angetrieben werden.
Diese Gleichstromquelle besteht vorzugsweise aus einer oder mehreren Akkumulatorenbatterien, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden, die imstande sind, kurzzeitig hohe Ströme zu liefern.
Die Verwendung vonAkkumulatorenbatterien als Energiequelle für den Röntgengenerator bietet zahlreiche bedeutende Vorteile.
Vor allem fallen sämtliche schädlichen Folgeerscheinungen der durch äussere Belastungen verursachten Spannungsabfälle vollkommen weg, die bei den gewöhnlichen Speisenetzen unweigerlich vorhanden sind. Damit wird eine absolute Konstanz der Röntgenaufnahmen gewährleistet, wobei es lediglich erforderlich ist, den Zustand der Batterien zeitlich konstant zu halten, welche in üblicher Weise langsam aus dem Lichtnetz oder durch eine Dynamomaschine geladen werden können. Anderseits besitzen die üblichen Batterien eine Kapazität, die es gestattet, den Strom für eine hohe Anzahl von Röntgenaufnahmen zu liefern. Dies macht es möglich, die Röntgengeräte samt dem erfindungsgemässen Röntgengenerator in beweglichen Anlagen, beispielsweise in fliegenden Röntgenstationen, zu verwenden, ohne dass ein Motorgenerator benötigt wird.
Das Aufladen der Batterie kann in diesen Fällen auch durch die Dynamomaschine des Fahrzeuges erfolgen, auf dem sich die gesamte Anlage befindet. Auf diese Weise ergeben sich Röntgenanlagen, die unabhängig von jeglichem Ortsnetz, d. h. völlig selbständig, betrieben werden können.
Es hat sich, als weiterer wesentlicher Vorteil, jedoch völlig überraschend gezeigt, dass es mit dem erfindungsgemässen Röntgengenerator möglich ist, ausgezeichnete Röntgenaufnahmen zu erzielen, u. zw. mit elektrischen Werten, die weit unter den üblichen Werten liegen. Beispielsweise seien einige Ergebnisse von Röntgenaufnahmen angeführt, die mit einer Streustrahlenblende (Buckyblende) bei einem Verhältnis zwischen Höhe und Abstand benachbarter Lamellen von 1 : 15 erzielt wurden :
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EMI3.1
<tb>
<tb> Schädel <SEP> 1 <SEP> m <SEP> Brennweite <SEP> 80 <SEP> kV <SEP> - <SEP> 10 <SEP> mAs
<tb> Brust <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> m <SEP> Brennweite <SEP> 100 <SEP> kV-3 <SEP> mAs <SEP>
<tb> Becken <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> m <SEP> Brennweite <SEP> 100 <SEP> kV <SEP> - <SEP> 15 <SEP> mAs.
<tb>
Für einen Fachmann sind diese Wertangaben ohne weiteres verständlich und er kann aus ihnen die erheblichen Vorteile entnehmen, die mit dem erfindungsgemässen Gerät erzielbar sind, nachdem ihm wohl bekannt ist, dass man mit den üblichen Apparaturen zur Erzielung gleichwertiger Ergebnisse 4 - 5mal grössere mAs-Werte anwenden muss.
Weiters ergibt sich, dass man unter Verwendung des erfindungsgemässen Spannungserzeugers gute
Röntgenaufnahmen auch mit einfachen Röntgenröhren mit fester Anode und sehr beschränktem Brennfleck erhält, während bei Verwendung der üblichen Geräte teure Röhren mit Drehanode verwendet werden müssen.
Ein weiterer Vorteil des Gerätes nach der Erfindung besteht darin, dass es einen verhältnismässig ge- ringen Platzbedarf hat, so dass es einmal einfach in beweglichen Anlagen eingebaut werden kann, wäh- rend diese seine Eigenschaft jedenfalls auch bei ortsfesten Anlagen äusserst wertvoll ist.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Span- Dungserzeugers unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Fig. 1 zeigt das Schaltschema des Niederspannungsteiles zur Umformung des Gleichstromes in mehrphasigen Wechselstrom, Fi. 2 zeigt die Primärseite des Transformators mit der Anordnung der verschiedenen Wicklungsstränge und ihren Ver- bindungen mit den Kollektorlamellen und Fig. 3 ist ein Schaltschema des Hochspannungsteilerszur Spei- sung der Röntgenröhre.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Umformerteil der Schaltung einen Transformator auf, dessen Primärwicklung ein System von 18 Phasen verwirklicht. Dies wird mittels eines Drehstromtransfor- mators erreicht, dessen Primärwicklung Hauptstränge aufweist, die im Doppelstern geschaltet sind (wo- durch ein Zwölfphasensystem entstünde), und von denen Nebenstränge abzweigen, wie im Schaltschema der Fig. 1 klar ersichtlich ist.
Die Primärwicklung des Transformators besteht somit aus den Hauptsträngen 1-1', 2-2'und 3-3', die paarweise auf den drei Schenkeln I, II, III des Mehrphasentransformators liegen und von denen je zwei Nebenstränge la-lb-lc-ld, 2a-2b-2c-2d und 3a-3b-3c-3d abzweigen, die ebenfalls auf den drei Schenkeln I, II und III liegen. Die Hauptwicklungsstränge sind mit je einem Ende im Punkt N zusammengeschaltet und die freien Enden sämtlicher Wicklungsstränge sind einzeln an je eine der 18 Lamellen des feststehenden Kollektors C angeschlossen.
Auf diesem Kollektor schleift eine Büchse S und dreht sich im Sinn des eingezeichneten Pfeiles, in dem sie durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben wird.
Zur Speisung der Primärwicklung des Transformators ist eine Akkumulatorenbatterie B vorgesehen, von der ein Pol elektrisch mit der Bürste S, während der andere Pol mit dem Mittelpunkt N der Primärwicklung verbunden ist. In der Verbindungsleitung zwischen der Batterie B und der Bürste S liegt ein elektromagnetisch steuerbarer Schalter I.
Die Hochspannungsseite des Transformators ist in Fig. 3 gezeigt. Die Sekundärwicklung ist im Stern geschaltet und bildet ein Hochspannungs-Drehstromsystem, das an eine beliebige Gleichrichterschaltung G angeschlossen ist, aus der die Röntgenröhre R unmittelbar mit der gleichgerichteten Hochspannung gespeist wird. Zur Heizung der Röhre ist ein eigener Transformator T vorgesehen.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Spannungserzeugers ist folgende :
Die konstante Gleichspannung der Batterie B wird durch die mit konstanter Drehzahl am Kollektor C rotierende Bürste S nacheinander an die verschiedenen Wicklungsstränge der Primärwicklung des Mehrphasentransformators angelegt. Bei jeder vollen Umdrehung der Bürste S wird im Transformator ein voller Zyklus eines harmonischen sinusförmigen (oder fast) Mehrphasensystems gebildet, so dass sich die Umformung des von der Batterie B gelieferten Gleichstromes in einen Mehrphasenwechselstrom ergibt. Dieser wird im selben Transformator in einen Drehstrom hoher Spannung umgewandelt, welcher sodann nach sei- ner Gleichrichtung in der Schaltung G die Röntgenröhre R speist.
Es versteht sich, dass die die Umformung des Gleichstromes in einen Mehrphasenwechselstrom bewerkstelligende Primärseite des Transformators auch anders als dargestellt geschaltet sein könnte.
Anstatt eines 18-phasigen Systems kann auch ein System mit mehr oder weniger Phasen geschaffen werden. und bei der praktischen Ausführung wird man natürlich eine Kompromisslösung zwischen den elektrischen und konstruktiven Anforderungen suchen. Je grösser die Phasenanzahl ist, umso vollkommener ist die
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Umformung. Anderseits wachsen mit steigender Phasenzahl die baulichen Probleme, was den Transfor- mator, Kollektor usw. anbelangt, immer mehr. Es kann aber gesagt werden, dass mit einem 12-bzw.
18-phasigen System ausgezeichnete Betriebsergebnisse erzielt werden konnten und dass sogar mit einem
Sechsphasensystem noch zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden.
Die Primärwicklung braucht auch keineswegs in Stern geschaltet werden. Es können gerade so gut auch Dreieck- bzw. Zickzackschaltungen angewendet werden. 1m Fall, dass die Wicklungsstränge keinen gemeinsamen Mittelpunkt haben, ist lediglich darauf zu achten, dass an Stelle der einen, am Kollektor rotierenden Bürste, zwei Bürsten zur Zuführung des von der Batterie gelieferten Gleichstromes vorzusehen sind.
Die Drehzahl der Bürste bzw. Bürsten bestimmt bekanntlich die Frequenz des erhaltenen Wechselstromes, und wenn man die Frequenz von 50Hz erhalten will, dann muss die Bürste 3000 Umdr/min ausführen. Das gleiche Ergebnis erzielt man aber auch bei Verdopplung, Vervierfachung usw. der Lamellenzahl des Kollektors und Parallelschaltung von zwei, vier usw. Bürsten, die dann mit halber, ein Viertel usw. Drehzahl umzulaufen haben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Spannungserzeuger für Röntgenanlagen, gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle und einen Mehrphasen-Hochspannungstransformator, dessen primäre Wicklungsstränge mit den Lamellen eines feststehenden Kollektors verbunden sind, auf dem mindestens eine elektrisch mit der Gleichstromquelle verbundene Bürste rotiert, während die sekundäre Hochspannungswicklung an eine Gleichrichterschalrung zur Speisung der Röntgenröhre angeschlossen ist.