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Die
Erfindung betrifft eine mobile Röntgendiagnostikeinrichtung
mit einer gepulsten Röntgenstrahlenquelle,
einer Vorrichtung zum Abführen
der Verlustwärme
aus der Röntgenstrahlenquelle,
einem Leistungsbilanzrechner zur Errechnung der Leistungsreserve
des Röntgenstrahlengenerators
und einer Generatorsteuerung, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer
Röntgendiagnostikeinrichtung.
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Röntgendiagnostikeinrichtungen
der eingangs genannten Art werden zur Aufnahme von Röntgenbildern
von ruhenden und bewegten Objekten eingesetzt. Um bewegte Objekte
ohne Bewegungsunschärfen
darstellen zu können,
ist eine Belichtungszeit, d.h. Impulsdauer eines von der Röntgenstrahlenquelle
erzeugten Röntgenimpulses
von 10 Millisekunden oder weniger erforderlich. Derartige Belichtungszeiten
bzw. Impulsdauern werden auch für
sogenannte Kinoaufnahmen, d.h. für
mehrere aufeinanderfolgende Röntgenaufnahmen
(Einzelbilder mit kurzer Belichtungszeit) eines bewegten Objektes benötigt. Eine
Anwendung des Kinobetriebs ist die Beobachtung der Bewegung eines
Kontrastmittelbolus in einem vorher festgelegten Zeitraum nach der Injektion.
Hierbei ist der Erfolg einer Röntgenuntersuchung
nur dann gewährleistet,
wenn über
mehrere Sekunden hinweg auswertbare Einzelbilder mit identischen
Aufnahmeparametern (Röhrenstrom,
Beschleunigungsspannung, Pulsbreite) aufgenommen wurden. Die Auswertung
der Einzelbilder erfolgt beispielsweise bei dem Verfahren der digitalen
Subtraktions-Angiografie (DSA) durch pixelweise Subtraktion von
Einzelaufnahmen. Die Erzeugung einer Folge von Einzelbildern für eine DSA
wird im folgenden als Spezialfall des Kinobetriebs behandelt.
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Der
Kinobetrieb von Röntgendiagnostikeinrichtungen
setzt einmal voraus, daß stets
genügend elektrische
Energie verfügbar
ist, um Röntgenimpulse
mit hinreichender Impulsdauer, Impulsfrequenz und Röntgenenergie
zu erzeugen. Des weiteren muß gewährleistet
sein, daß die
thermische Belastung der Anode der Röntgenröhre durch die geplante Kinountersuchung
nicht zu einer Überschreitung
der Grenztemperatur der Anode und damit zu einer Sicherheitszwangsabschaltung
oder zu einer Zerstörung der
Röntgenröhre führen würde. In
beiden Fällen wäre die Röntgendiagnostikeinrichtung
wenigstens kurzfristig nicht mehr verfügbar, wodurch der Erfolg einer
Untersuchung oder eines chirurgischen Eingriffs, bei dem eine Röntgenkontrolle
zwingend erforderlich ist, nicht mehr sicher gestellt wäre.
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Um
zu einem bestimmten Zeitpunkt den zulässigen Eintrag von thermischer
Leistung in die Anode der Röntgenröhre zu bestimmen
oder zu erhöhen,
sind Röntgendiagnostikeinrichtungen
mit Vorrichtungen zur Kühlung
der Röntgenstrahlenquelle oder
mit Vorrichtungen zur Ermittlung der Wärmebilanz der Röntgenröhre aus
der Patentliteratur bekannt.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 42 17 874 A1 ist eine mobile Röntgendiagnostikeinrichtung
mit einem C-Bogen beschrieben, bei der an einem mit Isolieröl gefüllten Kessel
der Röntgenstrahlenquelle
ein Wärmetauscher
vorgesehen ist, der über
teilweise durch des Profil des C-Bogens geführte Kühlmittelleitungen mit einem
im Gerätewagen
angeordneten Kühlaggregat
verbunden ist.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 198 24 008 C2 ist eine Röntgenstrahlenquelle
bekannt, deren Kesselwand in gutem Wärmekontakt mit dem Profil des
C-Bogens steht, wobei die Wärmekapazität des C-Bogens und die Wärmetauschereigenschaften seiner
Oberfläche
bewirken, daß die
Röntgenstrahlenquelle
ohne Abkühlpause über einen
längeren Zeitraum
betrieben werden kann, wodurch die Verfügbarkeit der Röntgendiagnostikeinrichtung
erhöht wird.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 36 06 587 A1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit
einem Zeitrechner bekannt. Ein Rechenprogramm des Zeitrechners ermittelt
unter Berücksichtigung
der Anodentemperatur der Röntgenröhre, der Röhrenspannung,
des Röhrenstroms
und der jeweils abgelaufenen Aufnahmezeit die erforderliche größte Wartezeit,
die bei einer vorgewählten
Einstellung der Aufnahmedaten eingehalten werden muß, um bei Ausführung der
vorgewählten
Einstellungen die Röntgenröhre zu schützen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mobile Röntgendiagnostikeinrichtung
der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Röntgendiagnostikeinrichtung
im Kinobetrieb jederzeit ohne Einhaltung von Wartezeiten und ohne
Einbußen
in der Bildqualität
der Einzelbilder betreibbar ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die mobile Röntgendiagnostikeinrichtung über Kühleinrichtungen
und einen Leistungsbilanzrechner verfügt, der auf der Basis eines
Modells des Wärmehaushalts
der Röntgenröhre und
der Kühlvorrichtungen
eine möglichst
genaue Restkapazität
für die
thermische Verlustleistung der Anode der Röntgenröhre und damit für die Strahlungsleistung
der Röntgenröhre ermittelt
und der aus der von dem Bediener der Röntgendiagnostikeinrichtung
gewählten Einstellung
für eine
Röntgenuntersuchung
im Kinobetrieb den Leistungsbedarf der Röntgenröhre berechnet, diesen Leistungsbedarf
mit der Restkapazität
der Anode der Röntgenröhre vergleicht
und, wenn die verfügbare
Restkapazität
für die
zur Durchführung
des gewählten
Untersuchungsprogramms im Kinobetrieb notwendige elektrische Leistung
der Röntgenröhre ausreichend
ist, das eingestellte Untersuchungsprogramm derart abändert, daß der zeitliche
Abstand von aufeinanderfolgenden Röntgeneinzelbildern vergrößert, d.h.
die Röntgenimpulsfrequenz
verkleinert wird. Dadurch ist sichergestellt, daß mit der mobilen Röntgendiagnostikeinrichtung zu
jedem Zeitpunkt ohne Einhaltung einer Wartezeit Röntgenuntersuchungen
im Kinobetrieb durchgeführt
werden können,
bei denen die Einzelbilder keine Qualitätseinbußen aufweisen.
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Die
Erfindung wird an Hand der Abbildung näher beschrieben.
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In 1 ist
der Röntgenstrahler 1 einer
mobilen Röntgendiagnostikeinrichtung
zusammen mit Kühleinrichtungen
schematisch dargestellt. In einem mit einer Ölfüllung 7 versehenen
Generatorkessel 6 ist ein Generator 5 und eine
Röntgenröhre 2 mit
einer beheizten Kathode 3 und einer Anode 4 angeordnet. Im
Beispiel der 1 ist die Anode als Stehanode (Festanode)
dargestellt; die Erfindung ist aber gleichermaßen auf eine Röntgenröhre mit
einer rotierenden Anode (Drehanode) anwendbar. Im Inneren des Generatorkessels 6 sind
im Beispiel der 1 ferner eine Ölpumpe 9,
ein Temperatursensor 8 für die Öltemperatur und ein Öl-Wärmetauscher 10 angeordnet.
Die Ölpumpe 9 sorgt
dabei für
eine Durchmischung der Ölfüllung und
damit für
eine Unterstützung
der Konvektion der Ölfüllung 7 während und nach
dem Betrieb der Röntgenröhre 2,
um die an der Anode 4 als Wärmequelle in der Ölfüllung 7 entstehende
Abwärme
im Generatorkessel zu verteilen und diese insbesondere schneller
an den Öl-Wärmetauscher 10 heranzuführen. Der Öl-Wärmetauscher 10 ist
Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs,
bestehend aus einem Kühlmittelvorlauf 14,
einer Pumpe 16 und einem Wärmetauscher 22. In
der 1 ist beispielhaft neben dem Wärmetauscher 22 ein
Gehäusewärmetauscher 24 dargestellt,
der über
Zweiwege-Ventile 20 und 21 wahlweise in den Kühlmittelkreislauf
geschaltet werden kann.
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In
einem Leistungsbilanzrechner 13 ist ein Modell der Verlustwärmeströme der Röntgendiagnostikeinrichtung
in einem Rechenprogramm abgebildet. Der Leistungsbilanmzrechner 13 weist
im Beispiel der 1 mehrere Eingänge für Signale
von Temperatursensoren auf. Insbesondere sind dies ein Temperatursensor 17 für die Vorlauftemperatur,
ein Temperatursensor 18 für die Rücklauftemperatur, ein Temperatursensor 19 für die Umgebungstemperatur und
ein Temperatursensor 8 für die Öltemperatur im Generatorkessel.
Ferner weist der Leistungsbilanzrechner 13 eine Datenverbindung
mit einer Generatorsteuerung 11 auf. Über diese Datenverbindung werden historische
Betriebsdaten des Röntgenstrahlers,
insbesondere der zeitliche Verlauf der Beschleunigungsspannung und
des Röhrenstroms
der Röntgenröhre dem
Leistungsbilanzrechner 13 zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise
werden die aktuellen Betriebsdaten über einen Zeitraum von einigen
Minuten in einem überschreibbaren
Speicher des Leistungsbilanzrechners gespeichert und stehen somit dem
Rechenprogramm des Leistungsbilanzrechners 13 zur Verfügung.
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Der
Leistungsbilanzrechner im Beispiel der 1 weist
ferner eine Reihe von Ausgängen
auf, die zur Steuerung von Komponenten der Kühleinrichtung herangezogen
werden. Hierzu gehören
insbesondere ein Ausgang zur Ansteuerung einer Ölpumpe 9 im Generatorkessel,
die eine Umwälzung
der Ölfüllung zum
Abbau von Temperaturspitzen in der Ölfüllung bewirkt. Des weiteren
ist ein Ausgang zur Ansteuerung eines Lüfters 23 vorgesehen,
der bei Bedarf die Kühlleistung
des Wärmetauschers 22 erhöht. Ferner
sind Ausgänge
zur Ansteuerung der Pumpe 16 und der Zweiwege-Ventile 20 und 21 vorgesehen, die
die Zirkulation des Kühlmittels
ermöglichen und/oder
beeinflussen.
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Die
Generatorsteuerung 11 steuert alle Vorgänge im Generator, die mit der
Erzeugung der Röntgenstrahlung
in der Röntgenröhre zusammenhängen. Die
Vorgaben für
die Länge
der Zeitintervalle, in denen Röntgenstrahlung
erzeugt werden soll, deren zeitlichen Abstand, die Intensität (charakterisiert durch
den Röhrenstrom)
und die "Härte" der Röntgenstrahlung
(charakterisiert durch die Beschleunigungsspannung) werden von der
Bedienperson über eine
Eingabetastatur 12 in die Generatorsteuerung 11 eingegeben.
Es ist auch vorgesehen, in der Generatorsteuerung 11 verschiedene
Untersuchungsprogramme abzulegen, aus denen die Bedienperson ein gewünschtes
Untersuchungsprogramm auswählt.
Es ist für
die Erfindung gleichgültig,
ob die Untersuchungsprogramme in der Generatorsteuerung 11 selbst
oder in einem anderen Rechner abgelegt sind, die mit dem Steuerrechner über eine
Datenschnittstelle 25 verbunden ist.
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Ein
einfaches Modell für
den Wärmehaushalt des
Systems geht von der Annahme aus, daß die gesamte Energie des Elektronenstrahls
der Röntgenröhre in der
Anode in thermische Energie umgewandelt wird.
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Bei
Verwendung eines Generators für
gepulste Röntgenstrahlung
ist die in die Anode eingebrachte Energie gleich der Summe der Energien
der Einzelpulse. Die Energie eines Einzelpulses berechnet sich wie
folgt: E = U·I·Δt,wobei U die Beschleunigungsspannung
der Röntgenröhre, I der
Röhrenstrom
und Δt die
Pulsdauer eines Einzelpulses ist. Bei einer Festanodenröhre steht dem
Energieeintrag in den Brennfleck der Anode durch den Elektronenstrahl
ein Energieabfluß durch Wärmeleitung
innerhalb der Anode (insbesondere vom Brennfleck des Elektronenstrahls
durch den Wolframeinsatz in den Kupferkörper der Anode), durch den
Wärmeübergang
in das Öl
der Ölfüllung 7, durch
Wärmeübergang
in den Öl-Wärmetauscher 10 und
durch die Wärmeableitung
durch das Kühlsystem
mit dem Wärmetauscher 22 und
gegebenenfalls dem Gehäusewärmetauscher 24 entgegen.
Eine experimentell gestützte
Annahme geht für
eine typische diagnostische Festanodenröhre davon aus, daß von der
Anode eine mittlere Verlustleistung von etwa 600 W als Dauerleistung
an die Ölfüllung 7 des
Generatorkessels 6 abgegeben werden kann. Als maximal zulässige Temperatur
der Ölfüllung wird
beispielsweise eine Temperatur von 70 °C angenommen. Der Wärmetauscher 22 ist
so ausgelegt, daß er
bei hinreichend großem
Luftstrom des Lüfters 23 und
bei ausreichender Umwälzung
im Kühlmittelkreislauf
eine Leistung von etwa 1000 W an die Umgebungsluft abgibt. Wird
ein mit der Gehäuseverkleidung
der Röntgendiagnostikeinrichtung
verbundener Gehäusewärmetauscher
in den Kühlmittelkreislauf
angeschlossen, so ist eine um etwa 300 W höhere Dauerleistung an die Umgebungsluft
abgebbar. Aufgrund der beengten Verhältnisse im Gehäuse eines
Röntgenstrahlers
an einem Ende eines mehrfach verstellbaren C-Bogens einer mobilen
Röntgendiagnostikeinrichtung
ist in der Praxis der Wärmetransport zwischen
der Ölfüllung und
dem Kühlmedium
durch die mechanischen Dimensionen des Wärmetauschers 10 begrenzt.
Dies bedeutet vielfach in der Praxis, daß die Wärmeleistung, die durch den Öl-Wärmetauscher 10 aus
der Ölfüllung 7 an
den Kühlmittelvorlauf 14 abgebbar
ist, kleiner als die Kühlleistung
der Anode beim Übergang
vom Anodenamterial zur Ölfüllung bleibt.
Ist die Leistung des Wärmetauschers 10 kleiner
als die im Beispiel angenommenen 600 W – beispielsweise nur 200 W – so würde die
mittlere Leistung des Röntgengenerators
auf 200 W reduziert werden, wenn die Öltemperatur die Grenztemperatur von
70 °C gerade
noch nicht erreicht hat. Damit wäre sicher
gestellt, daß eine
durch den Elektronenstrahl in die Anode 4 eingebrachte
durchschnittliche Dauerleistung von 200 W sicher über die Ölfüllung 7,
den Öl-Wärmetauscher 10, das
Kühlsystem
und den Wärmetauscher 22 und
den Gehäusewärmetauscher 24 abgeführt werden
würde.
Dadurch wird berücksichtigt,
daß durch
den Wärmeübergang
von der Anode an die Ölfüllung 7 der
Wärmeinhalt
der Ölfüllung unabhängig von
der Kühlleistung
des Öl-Wärmetauschers 10 erhöht werden
kann, bis eine vorgegebene Grenztemperatur von beispielsweise 70 °C erreicht ist.
Bei Erreichen der Öl-Grenztemperatur
veranlaßt der
Leistungsbilanzrechner 13 eine Begrenzung der mittleren
Strahlungsleistung der Röntgenröhre auf den
kleineren der beiden Werte der Kühlleistung
der Anode beim Übergang
Anodenmaterial zum Öl
und der Kühlleistung
des Öl-Wärnmetauschers 10.
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Eine
Festanoden-Röntgenröhre 2 hat
aufgrund ihrer Konstruktion eine typische Wärmespeicherkapazität der Anode
von beispielsweise 30.000 Ws, weitere zulässige Maximalwerte existieren
für den
Röhrenstrom
(beispielsweise 20 mA) und die Röhrenspannung
(beispielsweise 100 kV). Wird mit einer Röntgenröhre, die sich ebenso wie die Ölfüllung 7 des
Generatorkessels auf Raumtemperatur befindet, Röntgenstrahlung durch einen
Röhrenstrom
von 20mA bei einer Beschleunigungsspannung von 100kV erzeugt, so
wird in die Anode eine thermische Leistung von U·I = 2000 W eingetragen und
eine Leistung von 600 W über
an die Ölfüllung des Generatorkessels
abgeleitet. Es beleibt als Bilanz eine rechnerische Wärmeleistung
von 1400 W, mit der der Energieinhalt der Anode bis zu einem Maximalwert von
30.000 Ws aufgefüllt
werden kann. Dies bedeutet rein rechnerisch, daß bei den gewählten Werten
die Strahlungsdauer ("Pulsbreite" eines Einzelpulses bzw.
Dauerstrich der der Pulsbreite entsprechenden Länge) einen Wert von t = 30.000
Ws/1.400 W = 21,4 s nicht überschreiten
darf, um die Röhre
nicht zu schädigen.
Nach Ablauf dieser Zeit könnte
bei aktiver Kühlung
die Röntgenröhre mit
einer mittleren Leistung von maximal 600 W beliebig lange betrieben werden,
wenn die Kühlleistung
des Wärmetauschers 10 mindestens
600 W beträgt.
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Eine
Eigenschaft von vielen mobilen Röntgendiagnostikeinrichtungen
ist, daß sie
nach dem Abschalten des Gerätes
keine Bordenergieversorgung für
den Betrieb von Komponenten des Kühlkreislaufes besitzen. Auch
stehen häufig
die im n der Generatorsteuerung 11 zwischengespeicherten
historischen Daten über
den Strahlungsverlauf nach einem Abschalten und Wiedereinschalten
des Gerätes nicht
mehr zur Verfügung.
Daher wird beim Einschalten der Röntgendiagnostikeinrichtung
für den
Startwert des Energiegehaltes der Anode ein Wert angenommen, der
in der Größenordnung
von 50% der Wärmekapazität der Anode
der Röntgenröhre liegt. Geht
man von einem für
eine diagnostische Festanodenröhre
typischen Wert der Wärmekapazität von 30.000
Ws aus, so ist bei aktiven Kühlkreislauf
die Röntgenröhre während des
Hochfahrens des Betriebssystems der Röntgendiagnostikeinrichtung
derart abgekühlt,
daß die
gesamte Wärmekapazität der Anode
zur Aufnahme von Strahlungsrestwärme
zur Verfügung
steht.
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Im
Leistungsbilanzrechner 13 stehen durch ständigen Abgleich
mit der Generatorsteuerung 11 die aktuellen Strahlungsdaten
U(t) und I(t) und damit der aktuelle Wärmeleistungseintrag U(t)·I(t) in
die Anode als Funktion der Zeit zur Berechnung des Energieinhalts
der Anode der Röntgenröhre zur
Verfügung.
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Wählt nun
die Bedienperson der Röntgendiagnostikeinrichtung
ein bestimmtes Untersuchungsprogramm aus einer in der Generatorsteuerung 11 gespeicherten
Anzahl von Untersuchungsprogrammen aus und startet das entsprechende
Untersuchungsprogramm, so berechnet der Leistungsbilanzrechner 13 in
Echtzeit das Energiespeichervermögen (Einheit
Ws) der Anode, d.h. die Differenz aus dem zulässigen Gesamtenergiegehalt
der Anode und dem aktuellen Energiegehalt. Der Leistungsrechner modifiziert
den Strahlungsverlauf eines Untersuchungsprogrammes im Fall eines
nicht ausreichenden Energiespeichervermögens der Anode 4 in
der Weise, daß die
Röntgenimpulsfrequenz
bei gleichbleibenden Aufnahmeparametern (Beschleunigungsspannung,
Röhrenstrom,
Pulsbreite) reduziert wird. Im Kinobetrieb wird die Röntgenimpulsfrequenz erst
ab dem Zeitpunkt reduziert, zu dem das rechnerische Energiespeichervermögen der
Anode gleich oder kleiner Null ist. Es ist vorgesehen, die Röntgenimpulsfrequenz
während
eines laufenden Untersuchungsprogrammes nicht wieder zu erhöhen. Die Rückkehr zu
der Röntgenimpulsfrequenz
des Normalbetriebs erfolgt vorzugsweise vor Beginn eines nachfolgenden
Untersuchungsprogrammes.
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Wählt die
Bedienperson der Röntgendiagnostikeinrichtung
als Untersuchungsprogramm eine DSA (digitale Subtraktionsangiografie)
aus, so wird zunächst
vor der Kontrastmittelinjektion die Röntgenröhre hinsichtlich der Parameter
Beschleunigungsspannung, Röhrenstrom
und Pulsbreite derart geregelt, daß Einzelbilder einer gewünschten
Qualität
(Signal-Rauschverhältnis)
erzeugt werden können. Nach
der Regelphase ist werden die Parameter der Röntgenröhre für die nachfolgende DSA-Untersuchung mit
einem vorgewählten
Beobachtungszeitraum von beispielsweise 10 Sekunden nicht mehr verändert. Aus
der Restkapazität
der Anode der Röntgenröhre, der
gewählten
Länge des
Beobachtungszeitraumes und der Energie eines Einzelpulses E = U·I·Δt (wobei
U die Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre, I der Röhrenstrom
und Δt die
Pulsdauer eines Einzelpulses ist), wird die zulässige Gesamtzahl Einzelimpulse
im Beobachtungszeitraum und damit die höchste zulässige Röntgenimpulsfrequenz ermittelt.
Liegt diese Frequenz über
der Frequenz, mit der im Normalbetrieb der Röntgendiagnostikeinrichtung die
DSA durchgeführt
wird, wird das DSA-Untersuchungsprogramm
vom Leistungsbilanzrechner nicht beeinflußt. Ist jedoch die ermittelte
höchste
zulässige Röntgenimpulsfrequenz
kleiner als die Röntgenimpulsfrequenz
im Normalbetrieb, so reduziert der Leistungsbilanzrechner 13 über den
Steuerrechner 11 die Röntgenimpulsfrequenz
auf den höchsten
zulässigen Wert.
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- 1
- Röntgenstrahlenquelle
- 2
- Röntgenröhre
- 3
- Kathode
- 4
- Anode
- 5
- Generator
- 6
- Generatorkessel
- 7
- Ölfüllung
- 8
- Temperatursensor
für Öltemperatur
- 9
- Ölpumpe
- 10
- Öl-Wärmetauscher
- 11
- Generatorsteuerung
- 12
- Eingabetastatur
- 13
- Leistungsbilanzrechner
- 14
- Kühlmittelvorlauf
- 15
- Kühlmittelrücklauf
- 16
- Pumpe
- 17
- Temperatursensor
für Vorlauftemperatur
- 18
- Temperatursensor
für Rücklauftemperatur
- 19
- Temperatursensor
für Umgebungstemperatur
- 20
- Zweiwege-Ventil
- 21
- Zweiwege-Ventil
- 22
- Wärmetauscher
- 23
- Lüfter
- 24
- Gehäusewärmetauscher
- 25
- Datenschnittstelle