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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre mit
einem thermionischen Emitter.
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Beim
Defekt des Emitters einer Röntgenröhre ist
deren Funktionsweise nicht oder nur in eingeschränktem Maße gewährleistet. Wichtige Untersuchungen
können
mitunter nicht rechtzeitig durchgeführt werden. Bei interventionellen
Anwendungen können
aus einem überraschenden
Ausfall des Emitters auch lebensbedrohliche Situationen für den Patienten
entstehen.
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In
solchen Notfällen
kann bei solchen Röntgenröhren, die
zwei Emitter besitzen (großer
und kleiner Fokus) in kritischen Fällen auf den jeweils noch intakten
Emitter umgeschaltet werden, um damit, wenn auch bei unter Umständen stark
reduzierter Bildqualität
weiterarbeiten zu können.
Bei Röntgenröhren, bei
denen nur ein Emitter vorgesehen ist, ist diese Vorgehensweise selbstverständlich ausgeschlossen.
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Ein
einfaches Austauschen jeder Röntgenröhre nach
einer gewissen Standardlebensdauer (z.B. mittlere Lebensdauer) kann
das genannte Problem ebenfalls nicht lösen. Zum einen gibt es immer wieder
Fälle,
in denen die Lebensdauer eines Emitters sehr viel kleiner ist als
die Standardlebensdauer, so dass in solchen Fällen wiederum die vorstehend geschilderten
nachteiligen plötzlichen
Ausfälle
der Röntgenröhren auftreten.
Zum anderen müsste,
um die Anzahl dieser Fälle
aus Sicherheitsgründen
möglichst
gering zu halten, stets ein erheblicher Abstand zur Standardlebensdauer
eingehalten werden und bereits rechtzeitig vorher ein Röhrenaustausch
stattfinden, was aber die Nutzdauer einer Röntgenröhre entsprechend verkleinern
und die Kosten ihres Einsatzes entsprechend erhöhen würde.
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Wie
stark die Lebensdauer, die eine Röntgenröhre tatsächlich erreicht, von der Standardlebensdauer
abweicht, hängt
stark von den Umständen
ab, unter denen die Röntgenröhre betrieben
wurde, wobei der Röhrenstrom,
und damit der von dem Emitter ausgehende Elektronenstrom (Emissionsstrom)
von besonderer Bedeutung ist, da Röntgenröhren häufig wegen Durchbrennens oder
Bruchs des Emitters ausfallen. Bei hohem Röhrenstrom ist die Temperatur
des Emitters und damit auch die Abdampfrate, mit der Material von
dem Emitter abdampft, höher
als bei niedrigem Röhrenstrom.
Es hat sich gezeigt, dass selbst bei Registrierung des Emissionsstroms
als Funktion der Zeit eine hinreichend genaue Vorhersage des Ausfallzeitpunktes
einer Röntgenröhre nicht
möglich
ist.
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Dies
gilt insbesondere für
solche Emitter, die aus dünnem,
beispielsweise nur 75 um starkem Blech, z.B. Wolframblech, bestehen,
da bei solchen Emittern bereits die im Bereich der Emissionstemperatur
(2.350° C
für Wolfram)
auftretenden thermomechanischen Spannungen ausreichen, um den Emitter brechen
zu lassen, wenn er durch den Abdampfprozess entsprechend dünn geworden
ist.
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Aus
der
JP 57162299 A ist
eine Röntgenröhre mit
einem thermionischen Emitter und einer Warneinrichtung bekannt.
Die Warneinrichtung weist Mittel zur Messung wenigstens einer elektrischen
Eigenschaft des thermionischen Emitters auf und erzeugt nach Auswertung
der gemessenen elektrischen Eigenschaft gegebenenfalls ein Warnsignal.
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Weiterhin
ist in der
DE 2 402
230 A eine Röntgenanlage
beschrieben, die einen thermionischen Emitter sowie eine Schutzeinrichtung
aufweist. Durch die Schutzeinrichtung können verschiedene Ausgangssignale
gewonnen werden, um vorhersehbare oder bevorstehende Ausfälle der
Röntgenröhre vorher
anzukündigen.
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Ferner
ist in der
DE 29 49
331 A1 eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur der Heizwendel
einer Röntgenröhre offenbart.
Aus der gemessenen Temperatur der Heizwendel wird ein entsprechendes
elektrisches Signal gebildet, das zur Steuerung eines zusätzlichen
Energiepaketes dient, welches während
der Hochheizzeit der Heizwendel zuführbar ist.
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Schließlich ist
aus der
DE 1 247 497
B eine Schaltungsanordnung zum Messen der prozentualen Belastung
einer Röntgenröhre bekannt. Überschreitet
ein gemessener Wert für
die prozentuale Belastung der überwachten
Röntgenröhre einen
Grenzwert, dann wird eine Schutzvorrichtung für die Röntgenröhre ausgelöst.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer Röntgenröhre anzugeben,
welches eine sichere Benutzung der Röntgenröhre bis kurz vor dem Ende der
Lebensdauer des Emitters ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.
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Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Betrieb einer
Röntgenröhre mit
einem thermionischen Emitter und einer Warneinrichtung, die auf
einen bevorstehenden Ausfall des thermionischen Emitters hinweist,
bei der die Warneinrichtung den Quotienten aus dem sich im Zuge
eines Einschaltvorganges beim Anlegen der Röhrenhochspannung UH einstellenden
Einschaltemissionsstrom Iein und dem sich
im Anschluss an den Einschaltvorgang einstellenden kleineren Gleichgewichtsemissionsstrom
Igleich bestimmt und die Warneinrichtung
aus der Änderung
des Quotienten Iein/Igleich als
Funktion der Betriebsdauer des Emitters ein Warnsignal ableitet.
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Die
Erzeugung des Signals erfolgt also nicht auf Basis der Registrierung
von Betriebsparametern der Röntgenröhre, son dern
auf Grundlage einer Bewertung von gemessenen elektrischen Eigenschaften
des Emitters selbst, so dass eine exakte Aussage über den
Alterungszustand des Emitters möglich
ist und somit eine gefahrlose Benutzung der Röntgenröhre bis kurz vor dem Ende der
Lebensdauer des Emitters möglich
ist.
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Die
Warneinrichtung kann Mittel zur Messung des Widerstandes des Emitters
enthalten und bei Erreichen einer vorgegebenen charakteristischen Widerstandsänderung
das Signal erzeugen. Dieses Signal kann zur Ansteuerung eines Signalgenerators dienen
und/oder der Steuereinrichtung der Röntgenanlage, in der die Röntgenröhre eingesetzt
ist, zugeführt
sein, um hier geeignete Schaltvorgänge einzuleiten.
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Die
Widerstandsänderung
des Emitters eignet sich deshalb als Kriterium für die Erzeugung des Signals,
weil während
der Alterung eines thermionischen Emitters ein Teil seiner emittierenden
Substanz von der Oberfläche
verdampft. Hierdurch reduziert sich der Leitungsquerschnitt mit
der Folge, dass sich der Widerstand des Emitters erhöht. Dieser
Effekt lässt
sich bei direkt geheizten Emittern durch Überwachung der Parameter Heizstrom
und/oder Heizspannung des Emitters nachweisen. Aus dem Verlauf der
Widerstandsänderung
des Emitters als Funktion der Betriebsdauer ergeben sich zwei unterschiedliche
Möglichkeiten, über auftretende
Widerstandsänderung
ein auf den bevorstehenden Ausfall des Emitters hinweisendes Signal
zu erzeugen.
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Die
erste Möglichkeit
beruht darauf, dass der Widerstand des Emitters, wie erwähnt, während der Betriebsdauer
steigt. Ursache hierfür
ist das stetige Abdampfen von Material während des Betriebs (typischerweise
10–8 g/(cm2·sec)
für Wolfram
bei 2.350° C).
Dadurch reduziert sich der Leitungsquerschnitt und es erhöht sich
damit der Widerstand, der bei vorgegebener Heizspannung proportional
als Abnahme des Heizstroms erkennbar ist. Hieraus abgeleitet lässt sich
die Warneinrichtung derart ausgestalten, dass das Signal bei einer
vorgegebenen prozentualen Widerstandszunahme ausgelöst wird,
beispielsweise einer Änderung
des Widerstands um etwa 10% gegenüber dem Widerstand eines neuen
Emitters als Ausgangswert.
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Die
Temperaturverteilung eines thermionischen Emitters ist niemals vollkommen
homogen. Es gibt immer Stellen, die etwas heißer sind als die Umgebung und
an diesen heißen
Stellen dampft mehr Material ab. Der dort stärker reduzierte Leitungsquerschnitt
führt über eine
lokal verstärkte
Aufheizung und damit verstärkte
Abdampfung letztlich zum Schmelzen des Materials des Emitters. Diese
Kopplung von Aufheizung und mit Schmelzen verbundene Abdampfung
führt zu
einem stark überproportionalen Anstieg
des Widerstandes im Verhältnis
zur Brenndauer gegen Ende der Lebensdauer eines Emitters.
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Dies
bietet eine zweite Möglichkeit
der Erkennung des bevorstehenden Ausfalls des Emitters dahingehend,
dass die Warneinrichtung das Signal bei einem vorgegebenen zeitlichen
Gradienten der prozentualen Widerstandszunahme auslöst. Der
vorstehend geschilderte, nochmalige starke Anstieg des Widerstandes
in der letzten Betriebsdauer vor Ausfall des Emitters um nochmals
etwa 8% gegenüber
der sehr langsamen Widerstandszunahme über die Gesamtlebensdauer um
10% lässt
es zu, die Röntgenröhre bis
wenige Stunden vor dem endgültigen
Ausfall des Emitters zu benutzen, da der starke zeitliche Gradient
der Widerstandsänderung
in den letzten Betriebsstunden durch die unsymmetrischen Abdampfungen
sich meßtechnisch
erfassen und zur Erzeugung eines auf den bevorstehenden Ausfall
des Emitters hinweisenden Signals ausnutzen lässt.
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Gemäß einer
weiteren Variante weist die Warneinrichtung eine Strommessvorrichtung
auf, die den Quotienten des Einschaltemissionsstroms Iein beim
Anlegen der Röhrenhochspannung
zu dem sich einstellenden kleineren Gleichgewichtsemissionsstrom
Igleich ermittelt und aus der Änderung
dieses Quotienten während
der Emitterbetriebszeit ein auf den bevorstehenden Ausfall des Emitters
hinweisendes Signal ableitet.
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Die Änderung
des genannten Quotienten eignet sich deshalb als Kriterium für die Erzeugung des
Signals, weil sich dieser Quotient über der Betriebsdauer der Röhre zunächst nur
in geringem Umfang ändert,
kurz vor dem Ende der Lebensdauer des Emitters sehr stark ansteigt.
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Wenn
der Emitter vor dem Einschalten der Hochspannung auf eine konstante
Emissionstemperatur gebracht wird, ergibt sich die charakteristische Abnahme
des Emissionsstroms innerhalb von ca. 200 ms infolge eines Abkühlungseffekts
bedingt durch den Abtransport von thermischer Energie (entsprechend
der Emissionstemperatur) durch die emittierten Elektronen.
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Im
Laufe der Lebensdauer des Emitters wird dieser, wie bereits beschrieben,
durch Abdampfen dünner.
Dadurch wird die Wärmekapazität und durch die
veränderte
Wärmeleitung
auch die Wärmeleitfähigkeit
vom Inneren des Emitters zu der besonders stark durch die nach Einschaltung
der Hochspannung einsetzende Emission von Elektronen gekühlten Oberfläche des
Emitters kleiner, so dass sich die Oberflächentemperatur entsprechend
erniedrigt und damit der Gleichgewichtsemissionsstrom absinkt, der
sich einstellt, wenn der Emitter aufgeheizt wurde und die Röhrenspannung über eine
gewisse Zeit anliegt. Da der Absolutwert des Gleichgewichtsemissionsstroms
sowohl von der Temperatur des Emitters als auch der Hochspannung
abhängt,
ist es zum Ausschalten von durch derartige Einflüsse verur sachten Fehlern zweckmäßig nicht
den Gleichgewichtsemissionsstrom alleine, sondern immer nur und
um eine geringe Zeitspanne von z.B. etwas mehr als 200 ms versetzt,
den Einschaltemissionsstrom Iein, der, nachdem
der Emitter ohne Röhrenspannung
aufgeheizt wurde, unmittelbar nach Anlegen der Röhrenspannung vorliegt, und
den sich anschließend
einstellenden Gleichgewichtsemissionsstrom Igleich zu
messen und den genannten Quotienten zu bilden. Unabhängig von
den Absolutwerten der Temperaturen und Spannungen ist dieser Quotient
Iein/Igleich ein
zuverlässiger
Indikator für
die noch zur Ver fügung
stehende Lebensdauer des Emitters und kann beispielsweise in der
Weise ausgenutzt werden, dass bei einer vorgegebenen prozentualen Änderung
des Quotienten Iein/Igleich gegenüber dem
Anfangswert bei Betriebsbeginn der Röntgenröhre das Signal ausgegeben wird, das
den bevorstehenden Ausfall des Emitters anzeigt.
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Bei
einer Ausgestaltung gemäß Anspruch
2 kann dabei vorgesehen sein, dass nicht die absolute Änderung
des Quotienten Iein/Igleich als
Auslöser
für das
Signal herangezogen wird, sondern der zeitliche Gradient dieses
Quotienten über
der Betriebszeit des Emitters bestimmt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass
der Quotient Iein/Igleich sich
unmittelbar vor dem Ausfall des Emitters besonders stark ändert und
somit ein entsprechend steiler zeitlicher Gradient auftritt, der
eine wesentlich empfindlichere und näher an dem tatsächlichen
Ende der Lebensdauer des Emitters liegende Erzeugung des den bevorstehenden Ausfall
des Emitters anzeigenden Signals ermöglicht. Somit kann die Röntgenröhre über eine
Betriebszeit betrieben werden, die nahezu gleich groß wie durch den
Ausfall des Emitters begrenzte Lebensdauer der Röntgenröhre ist, ohne dass die eingangs
genannten Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betreibbare Röntgenröhre mit
einem thermionischen Emitter in teilweise blockschaltbildartiger Darstellung,
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2 den
Heizstrom des thermionischen Emitters der Röntgenröhre gemäß 1 als Funktion
der Betriebsdauer,
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3 für die Röntgenröhre gemäß 1 den
Verlauf des Röhrenstroms
(gepunktet) bei Einschalten der Hochspannung (ausgezogen) als Funktion
der Zeit und
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4 für die Röntgenröhre gemäß 1 den
Quotienten Iein/Igleich als
Funktion der Zeit.
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In
der 1 ist eine insgesamt mit 1 bezeichnete
Röntgenröhre dargestellt,
in deren Vakuumgehäuse 2 eine
Anode 3 und dieser gegenüberliegend als Kathode ein
thermionischer Emitter 4 angeordnet sind.
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Der
Röntgenröhre 1 ist
eine elektrische Generatoreinrichtung 5 zugeordnet, die
die Röntgenröhre mit
den zu deren Betrieb erforderlichen Spannungen und Strömen versorgt.
Im Einzelnen wird der Emitter 4, bei dem es sich im Falle
des beschriebenen Ausführungsbeispiels
um einen durch Stromdurchgang direkt beheizten Emitter handelt,
mit einer Heizspannung UH versorgt, so dass
ein Heizstrom IH durch den Emitter 4 fließt, der
im Hinblick auf den elektrischen Widerstand des Emitters 4 so
gewählt ist,
dass der Emitter 4 auf eine Temperatur aufgeheizt wird,
bei der die Emission von Elektronen erfolgt. Wenn der Emitter aus
Wolfram gebildet ist, liegt diese Temperatur bei 2.350° C.
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Da
außerdem
zwischen dem einen Anschluss des Emitters 4 und der Anode 3 eine
im Folgenden als Röhrenspannung
UR bezeichnete Hochspannung anliegt, werden
die von dem Emitter 4 emittierten Elektronen in Form eines
in 1 punktiert angedeuteten und mit E bezeichneten
Elektronenstrahls zu der Anode 3 beschleunigt, auf die
sie auftreffen und Röntgenstrahlung
auslösen.
Dabei fließt
ein Röhrenstrom,
der im Wesentlichen dem Emissionsstrom I des Emitters 4 entspricht.
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Die
Röntgenröhre 1 weist
eine insgesamt mit 6 bezeichnete Warneinrichtung auf, die
Mittel zur Messung von elektrischen Eigenschaften des Emitters 4 aufweist
und unter Auswertung der gemessenen elektrischen Eigenschaften ein
Signal erzeugt, wenn eine oder mehrere gemessene elektrische Eigenschaften
einen auf einen bevorstehenden Ausfall des Emitters 4 hinweisenden
Wert aufweisen.
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Im
Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
umfasst die Warneinrichtung 6 eine elektronische Recheneinrichtung 7,
an die ein Monitor 8 und eine Tastatur 9 angeschlossen
sind. Die elektronische Recheneinrichtung 7, die auch dazu
dient, Heizstrom IH und Heizspannung UH sowie Röhren-
bzw. Emissionsstrom I und Röhrenspannung
UR einzustellen, was durch eine entsprechende
Verbindung mit der elektrischen Generatoreinrichtung 5 angedeutet ist, überwacht
die gemessenen elektrischen Eigenschaften des Emitters 4 und
bewirkt die Abgabe eines entsprechenden Signals. Als Signalgeneratoren sind
im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
eine Signalleuchte 10 und ein akustischer Signalgeber 11 vorgesehen.
Außerdem
kann die elektronische Recheneinrichtung 7 ein Signal auch
auf dem Monitor 8 anzeigen, sei es in alphanumerischer
oder in grafischer Form.
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Die
elektronische Recheneinrichtung 7 ist mit einer Steuerung 19,
die Bestandteil desjenigen Gerätes
ist, in dem die Röntgenröhre 1 eingesetzt wird,
verbunden, so dass im Falle der Abgabe eines auf den bevorstehenden
Ausfall des Emitters 4 hinweisenden Signals ein entsprechendes
Signal auch an die Steuerung 19 gegeben werden kann.
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Die
Mittel zur Messung von elektrischen Eigenschaften des Emitters 4 umfassen
zwei Shunt-Widerstände 12, 13,
die derart angeordnet sind, dass der Shunt-Widerstand 12 von
dem Heizstrom IH und der Shunt-Widerstand 13 von
dem Emissionsstrom I durchflossen ist. Die über den Shunt-Widerständen 12 und 13 abfallenden,
dem Heizstrom IH bzw. dem Emissionsstrom
I entsprechenden Spannungen werden mittels Differenzverstärkern 14 bzw. 15 abgegriffen,
deren Ausgangssignale Eingängen eines
3:1-Analog-Multiplexer zugeführt
sind. Ein der Heizspannung UH entsprechendes
Signal wird mittels eines weiteren Differenzverstärkers 17 gewonnen und
ist dem verbleibenden Eingang des 3:1-Analog-Multiplexers zugeführt. Der
Ausgang des 3:1-Analog-Multiplexers 16 ist
mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 18 verbunden,
der dem Heizstrom IH, dem Emissionsstrom
I und der Heizspannung UH entsprechende
digitale Daten an die Recheneinrichtung 7 gibt.
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In
einer mittels der Tastatur 9 einstellbaren ersten Betriebsart
der Warneinrichtung 6 ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 7 aus
Heizspannung IH und UH den
elektrischen Widerstand des Emitters 4 und vergleicht den
aktuellen Wert des Widerstands des Emitters 4 mit dem in
der elektronischen Recheneinrichtung 7 gespeicherten Startwert des
elektrischen Widerstandes des Emitters 4, den dieser bei
Inbetriebnahme der Röntgenröhre 1 aufgewiesen
hat. Den Startwert des elektrischen Widerstandes ermittelt die elektronische
Recheneinrichtung 7 aus den bei Inbetriebnahme der Röntgenröhre 1 vorliegenden
Startwerten des Heizstromes IHstart und
der Heizspannung UHstart. Ist der Wert des
elektrischen Widerstandes des Emitters 4 um ein bestimmtes
von der Bauart der jeweiligen Röntgenröhre bzw. des
entsprechenden Emitters 4 abhängiges und experimentell bestimmbares
Maß, beispielsweise
10%, gegenüber
seinem Anfangswert abgesunken, bewirkt die elektronische Recheneinrichtung 7 die
Abgabe des auf den bevorstehenden Ausfall des Emitters 4 hinweisenden
Signals, indem sie die Signalleuchte 10 und/oder den akustischen
Signalgeber 11 und/oder den Monitor 8 entsprechend
aktiviert und/oder ein Signal an die Steuerung 19 gibt.
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In
einer mittels der Tastatur 9 einstellbaren Variante der
beschriebenen Betriebsart ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 7 den
zeitlichen Gradienten, mit dem sich der elektrische Widerstand des
Emitters 4 ändert
und löst
das auf den bevorstehenden Ausfall des Emitters 4 hinweisende
Signal dann aus, wenn der zeitliche Gradient der Widerstandsänderung
einen Schwellwert überschreitet, der
für den
jeweils verwen deten Typ von Röntgenröhre 1 bzw.
Emitter 4 ebenfalls experimentell ermittelt werden kann.
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Beide
beschriebene Betriebsarten der Warneinrichtung 6 beruhen
darauf, dass infolge von allmählicher
Abdampfung von Material des Emitters 4 dessen elektrischer
Widerstand allmählich
ansteigt, und zwar über
den größten Teil
der Lebensdauer des Emitters 4 mit einem konstanten zeitlichen
Gradienten, der jedoch gegen Ende der Lebensdauer des Emitters 4 stark
zunimmt.
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Dies
ist in 2 anhand des zeitlichen Verlaufs des Heizstroms
IH, der bei konstanter Heizspannung UH dem elektrischen Widerstand des Emitters umgekehrt
proportional ist, veranschaulicht.
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Während der
Betriebsdauer der Röntgenröhre 1 und
damit des Emitters 4 fällt
der Heizstrom IH in der aus 2 beispielhaft
ersichtlichen Weise, ausgehend von einem dem Startwert des elektrischen Widerstandes
entsprechenden Startwert IHStart, ganz allmählich mit
annähernd
konstantem zeitlichen Gradienten ab, wobei der Abfall kurz vor dem
endgültigen
Ausfall des Emitters 4, wie im Falle des in 2 veranschaulichten
Beispiels, typischerweise etwa 10% vom Startwert IHStart beträgt. Diese
allmähliche Abnahme über eine
Betriebsdauer von beispielsweise ca. 150 Stunden wird in der ersten
Variante der ersten Betriebsart der Warneinrichtung 6 dazu
ausgenutzt, um durch Vergleich des aktuell vorliegenden Wertes des
Widerstandes des Emitters 4 mit einem vorgebbaren, mittels
der Tastatur 9 einstellbaren Schwellwertes, für das in 2 veranschaulichte Beispiel
also 10% Abfall des Heizstroms IH und damit 10%
Zunahme des Widerstands des Emitters 4, das den bevorstehenden
Ausfall des Emitters 4 und damit der Röntgenröhre 1 anzeigende Signal
bei Überschreitung
des Schwellwertes zu erzeugen. Wenn dieses Signal abgegeben wird,
stehen auf jeden Fall noch einige Stunden Betriebsdauer zur Verfügung, so
dass eine dringende Untersuchung noch vor Austausch der Röntgenröhre durchgeführt werden
kann, ohne dass die Gefahr des Ausfalls der Röntgenröhre während der Untersuchung besteht.
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Während der
letzten ein bis drei Stunden und speziell während der letzten Stunde der
Lebensdauer des Emitters 4, ergibt sich die durch die bereits
angesprochene unsymmetrische Temperaturverteilung und die daraus
resultierende, mit dem Schmelzen von Material des Emitters 4 verbundene
verstärkte Abdampfung
von Material ein nochmaliger, sehr viel steilerer Anstieg des Widerstands
des Emitters 4 und daraus resultierend ein entsprechend
sehr viel steilerer Abfall des Heizstroms IH.
Dieser Anstieg bzw. Abfall erreicht in den letzten Betriebsstunden
im Falle des in 2 veranschaulichten Beispiels
einen Wert von zusätzlichen
ca. 8%.
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Der
hohe zeitliche Gradient der prozentualen Zunahme des Widerstands
bzw. des prozentualen Abfalls des Heizstroms IH unmittelbar
vor dem Ende der Lebensdauer des Emitters 4 ermöglicht es
in der zweiten Variante der ersten Betriebsart der Warneinrichtung 6,
das Signal erst ganz kurz vor dem tatsächlichen Ausfall des Emitters 4 auszulösen und
damit die durch die tatsächliche
Lebensdauer der Röntgenröhre 1 maximal
mögliche
Betriebsdauer der Röntgenröhre 1 praktisch
vollständig
auszunutzen, ohne aber die Nachteile eines unerwarteten Ausfalls der
Röntgenröhre 1 befürchten zu
müssen.
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Dazu
wird der aktuell vorliegende Wert des Gradienten der zeitlichen Änderung
des Widerstandes des Emitters 4 von der elektronischen
Recheneinrichtung 7 ermittelt und mit einem vorgebbaren, mittels
der Tastatur 9 einstellbaren Schwellwert des Gradienten
verglichen und das den bevorstehenden Ausfall des Emitters 4 und
damit der Röntgenröhre 1 anzeigende
Signal bei Überschreitung
des Schwellwertes erzeugt. Der Schwellwert kann für die jeweilige
Bauart von Röntgenröhre 1 bzw.
Bauart von in dieser enthaltenem Emitter 4 experimentell
ermittelt werden.
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In
einer zweiten mittels der Tastatur 9 wählbaren Betriebsart der Warneinrichtung 6 wird
in periodischen Abständen
ein Testzyklus durchlaufen, der darin besteht, dass der Emitter 4,
ohne dass die Röhrenspannung
UR an der Röntgenröhre anliegt, auf eine konstante
Emissionstemperatur geheizt wird und dass nach erfolgter Aufheizung
die Röhrenspannung
UR eingeschaltet wird. Dabei ermittelt die
elektronische Recheneinrichtung 7 den zeitlichen Verlauf des
Emissionsstromes I, zumindest aber den vor dem Einschalten der Röhrenspannung
UR vorliegenden Einschaltemissionsstrom
Iein und den sich nach Anlegen der Röhrenspannung
UR einstellenden, wenigstens annähernd zeitlich
konstanten Gleichgewichtsemissionsstrom Igleich.
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Bei
Durchlaufen dieses Testzyklus ergibt sich in der aus 3 ersichtlichen
Weise eine charakteristische Abnahme des Emissionsstroms I im Anschluss
an das Anlegen der Röhrenspannung
UR und zwar derart, dass innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne,
im Falle des in 3 veranschaulichten Beispiels
200 ms, ein Abfall von dem Einschaltemissionsstrom Iein auf
den Gleichgewichtsemissionsstrom Igleich erfolgt.
Dieser Effekt beruht, wie bereits erläutert, darauf, dass die von
dem Emitter 4 emittierten Elektronen thermische Energie
abtransportieren.
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Infolge
des Abdampfens von Material des Emitters 4 wird für einen
bei dem Testzyklus vorliegenden definierten Emissionsstrom I, d.h.
einen Gleichgewichtsemissionsstrom Igleich,
von z.B. 300 mA, das sich einstellende Gleichgewicht mit zunehmender
Betriebsdauer des Emitters 4 mehr und mehr von den Mechanismen
der Wärmeabstrahlung,
der Kühlung
durch Emission von Elektronen allein und weniger durch Wärmeleitung
von dem die Abstrahlfläche
für Elektronen
aufweisenden Bereich des Emitters 4 in angrenzende Bereiche
des Emitters 4, z.B. dessen Anschlussbeinchen, bestimmt.
Dadurch ergibt sich eine charakteristische Veränderung des im Anschluss an
das Anlegen der Röhrenspannung auftretenden
Abkühlungseffekts,
die dazu führt,
dass mit zunehmender Lebensdauer des Emitters 4 der Quotient
von Iein/Igleich größer wird.
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Dies
ist aus 4, in der der zeitliche Verlauf des
Quotienten Iein/Igleich für einen
beispielhaften Emitter über
dessen Lebensdauer von ca. 276 Stunden aufgetragen ist, ersichtlich,
wo ein dramatischer Anstieg des Quotienten Iein/Igleich kurz vor dem tatsächlichen Ende der Lebensdauer
des Emitters 4 und damit der Röntgenröhre 1 auftritt.
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Diesen
Anstieg verwendet die Warneinrichtung 6 im Falle ihrer
zweiten Betriebsart als Indikator für das bevorstehende Ende der
Lebensdauer des Emitters 4.
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In
einer mittels der Tastatur 9 einstellbaren ersten Variante
der zweiten Betriebsart ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 7 in
dem Testzyklus jeweils den Quotienten Iein/Igleich und vergleicht diesen mit einem entsprechenden
Schwellwert, der für
die jeweilige Bauart von Röntgenröhre 1 bzw.
Bauart von in dieser enthaltenem Emitter 4 experimentell
ermittelt werden kann. Der Schwellwert ist so gewählt, dass
die Warneinrichtung 6 das auf den bevorstehenden Ausfall
des Emitters 4 hinweisende Signal dann erzeugt, wenn der
Quotient Iein/Igleich um
einen dem Schwellwert entsprechenden Prozentsatz gegenüber seinem
bei Inbetriebnahme der Röntgenröhre 1 vorliegenden
Anfangswert, der in dem ersten Testzyklus ermittelt und in der elektronischen
Recheneinrichtung 7 gespeichert wird, gestiegen ist.
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In
einer mittels der Tastatur 9 einstellbaren zweiten Variante
der zweiten Betriebsart ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 7 in
den Testzyklen jeweils den Quotienten Iein/Igleich Und speichert die entsprechenden Werte,
so dass der zeitliche Verlauf des Quotienten Iein/Igleich bekannt ist. Aus diesem zeitlichen
Verlauf des Quotienten Iein/Igleich ermittelt die elektronische
Recheneinrichtung 7 im Zuge jedes Testzyklus den zeitlichen
Gradienten, mit dem sich der Quotient Iein/Igleich ändert
und vergleicht diesen Gradienten mit einem entsprechenden Schwellwert.
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Die
Warneinrichtung 6 erzeugt dann das auf den bevorstehenden
Ausfall des Emitters hinweisende Signal, wenn der zeitliche Gradient
der Änderung des
Quotienten Iein/Igleich den
entsprechenden Schwellwert, der für die jeweilige Bauart von
Röntgenröhre 1 bzw.
Bauart von in dieser enthaltenem Emitter 4 experimentell
ermittelt werden kann, übersteigt.
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Die
Warneinrichtung 6 kann den Testzyklus als Unterprogramm
eines regelmäßig durchgeführten Kalibrier-
oder Testprogramms desjenigen Gerätes, z.B. einer Computertomographie-
oder diagnostischen Röntgenanlage,
durchführen,
in dem die Röntgenröhre eingesetzt
wird. Die Warneinrichtung wird dann von der Steuerung 19 dieses
Gerätes
entsprechend aktiviert.
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Die
Erfindung wird vorstehend am Beispiel einer Röntgenröhre erläutert, bei der die Anode und die
Kathode relativ zueinander feststehen. Die Erfindung kann aber auch
bei Röntgenröhren verwendet werden,
bei denen eine Relativbewegung zwischen Kathode und Anode vorliegt,
beispielsweise so genannten Drehanodenröhren oder so genannten Drehkolbenröhren.