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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Röntgengerät für den naturwissenschaftlichen Unterricht. Es erlaubt die Durchführung von Experimenten zur Charakterisierung und zum Einsatz von Röntgenstrahlen. Insbesondere können spezielle Anwendungssituationen in verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen ab (Physik, Chemie, Biologie, Materialwissenschaften und Medizin) experimentell untersucht werden.
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Die wichtigsten Anwendungsfelder für die Lehre an Schulen und Hochschulen in Kontakt der vorliegenden Erfindung sind:
- • Durchstrahlung und Röntgenfotos, Ionisations- und Dosimetrieversuche
- • Laue- und Debye-Scherrer-Aufnahmen, Röntgenspektroskopie
- • Bragg-Reflexion
- • Bremsspektrum/charakteristische Linien verschiedener Anodenmaterialien
- • Moseley-Gesetz, Bestimmung von h- und Rydbergkonstante
- • Duane-Hunt-Gesetz, Materialdicken- und energieabhängige Absorption
- • K- und L- Kanten
- • Kontrastmittelexperimente
- • Comptonstreuung, Röntgendiffraktometrie
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Ein Röntgengerät mit vergleichbarem Einsatzgebiet wird von der Anmelderin erfolgreich unter der Bezeichnung „X-Ray Röntgengerät“ (Artikel-Nr.: 09058-99) vertrieben. Das Röntgengerät weist ein strahlungsdichtes Gehäuse auf, in welchem eine wechselbare Quelle für Röntgenstrahlung angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst einen Experimentierraum, der im Betrieb des Röntgengeräts zumindest teilweise mit Röntgenstrahlung erfüllt ist. Im Experimentierraum können Versuchsaufbauten für Experimente mit Röntgenstrahlung angeordnet werden, z.B. Goniometer, Probenhalter, Dosimeter, Leuchtschirme etc..
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Das gesamte Gehäuse des Röntgengeräts, insbesondere aber der Experimentierraum, ist gegen den Austritt von Röntgenstrahlung in die Umgebung gesichert. Eine Türe ist für einen Zugang zum Experimentierraum vorgesehen, die als Glastür aus einem strahlungsdichten transparenten Werkstoff ausgebildet ist. Die als mechanisch betätigte Schiebetür ausgebildete Tür ist in einen Schließzustand bringbar, in dem sie den Experimentierraum strahlungsdicht verschließt.
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Um sicherzustellen, dass bei einem Betrieb der Quelle für Röntgenstrahlung die Röntgenstrahlung nicht unbeabsichtigt in die Umgebung gelangen kann, ist eine Überwachungsvorrichtung vorgesehen, die den Schließzustand der Türe überwacht. Weiterhin ist eine Abschaltvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Quelle für Röntgenstrahlung abzuschalten, wenn die Überwachungsvorrichtung detektiert, dass sich die Türe nicht im Schließzustand befindet. Weiterhin ist eine Arretierungsvorrichtung vorgesehen, die die Tür im Schließzustand mechanisch arretiert, und die manuell entriegelt werden muss, damit die Tür geöffnet werden kann.
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Das bekannte Röntgengerät weist bereits eine sehr hohe Sicherheit gegenüber unbeabsichtigtem Entweichen von Röntgenstrahlung in die Umgebung des Röntgengeräts auf. Alle derzeit geltenden anwendbaren nationalen und internationalen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit Röntgenstrahlung werden erfüllt, auch wurde in der Bundesrepublik Deutschland von den zuständigen Behörden eine bauartspezifische Betriebserlaubnis erteilt.
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Im Zuge der ständigen Verschärfung der Sicherheitsbestimmungen für den Umgang mit Röntgenstrahlung ist es wünschenswert, die Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Austretens von Röntgenstrahlung noch weiter zu vermindern. Zugleich ist weitere eine Verbesserung der Benutzerergonomie wünschenswert.
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Genau hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, ein Röntgengerät anzugeben, welches eine nochmals erweiterte Sicherheit zum Schutz des Bedieners des Röntgengerätes vor unbeabsichtigter Exposition von Röntgenstrahlung aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Röntgengerät mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, deren Merkmale im Rahmen des für den Fachmann erkennbar technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt weist ein erfindungsgemäßes Röntgengerät ein Gehäuse auf, in welchem eine Quelle für Röntgenstrahlung angeordnet ist. Dabei umfasst das Gehäuse einen im Betrieb des Röntgengeräts zumindest teilweise mit Röntgenstrahlung erfüllten Experimentierraum. Dieser Experimentierraum ist gegen den Austritt von Röntgenstrahlung in die Umgebung gesichert, vor allen durch eine strahlungsdichte Ausgestaltung des Gehäuses aus einem Röntgenstrahlung-absorbierenden Material wie z.B. Stahlblech ausreichender Dicke. Wiederum ist eine Türe für einen Zugang zum Experimentierraum vorgesehen, die in einen Schließzustand bringbar ist, in dem sie den Experimentierraum strahlungsdicht verschließt. In einem Öffnungszutand gibt die Tür den Zugang zum Experimentierraum frei.
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Das Röntgengerät umfasst nun eine erste Überwachungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Schließzustand der Türe zu überwachten. Weiterhin umfasst das Röntgengerät eine Abschaltvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Quelle für Röntgenstrahlung abzuschalten, wenn die erste Überwachungsvorrichtung detektiert, dass sich die Türe nicht im Schließzustand befindet. Diese Überwachungsvorrichtung kann insbesondere in eine zentrale Steuereinheit des Röntgengeräts integriert sein, die z.B. Mikroprozessor-basiert ausgebildet sein kann. Die Ansteuerung der Quelle für Röntgenstrahlung erfolgt in der Regel über eine Hochspannungsquelle, die die eigentliche Röntgenröhre mit der für den Betrieb erforderlichen Betriebsspannung versorgt, die typisch im Bereich von einigen Kilovolt liegt, insbesondere zwischen 5 und 30 Kilovolt. Bevorzugt steuert die Steuereinheit die Quelle für Röntgenstrahlung über eine Ansteuerung der Hochspannungsquelle, z.B. durch An- und Abschalten der Betriebsspannung und durch Variation der Betriebsspannung bzw. des Betriebsstroms. Ein Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung kann in dieser Ausgestaltung z.B. über ein Abschalten der Betriebsspannung der Röntgenröhre erfolgen. Denkbar ist es aber auch, den Austritt von Röntgenstrahlung aus der Quelle für Röntgenstrahlung durch Schließen einer in den Strahlengang bringbaren Blende zu verhindern.
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Grundsätzlich gilt, dass nach dem Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung die den Experimentierraum zumindest teilweise erfüllende Röntgenstrahlung nicht sofort, sondern erst innerhalb einer Abklingzeit Tau auf einen vorgegebenen Schwellenwert Imax absinkt. Wesentlich hierbei ist die Abklingzeit der von der Röntgenröhre erzeugten Röntgenstrahlung, die z.B. vom Absinken der Betriebsspannung an der Röntgenröhre nach dem Abschalten der Hochspannungsquelle bedingt ist. Wird eine Blende zum schnellen Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung verwendet, so ist die Schaltzeit der in der Regel elektromechanisch betätigten Blende wesentlich. Diese Abklingzeit Tau beträgt in beiden Fällen typisch einige Hundert Millisekunden, insbesondere zwischen Hundert und Tausend Millisekunden.
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Erfindungsgemäß ist nun eine strahlungsdichte Überdeckung von Gehäuse und Türe vorgesehen, dergestalt dass bei einer Bewegung der Türe in Öffnungsrichtung ausgehend vom Schließzustand der Türe der Experimentierraum mindestens bis zum Erreichen einer Zuhaltelänge z gegen Austritt von Röntgenstrahlung abgedichtet ist. Eine solche Überdeckung kann beispielsweise als einfache mechanische Überdeckung eines Endbereichs der Türe und dem Gehäuse des Röntgengeräts ausgebildet sein. Eine solche mechanische Überdeckung kann insbesondere bei einer Ausbildung der Türe als Schiebetüre auf einfachste Weise realisiert werden. Dabei ist der von der Türe bis zum Erreichen der Zuhaltelänge z zurückgelegte Zuhalteweg W so bemessen, dass bei einer Öffnung der Türe aus dem Schließzustand die Zeit zwischen dem z.B. von der ersten Überwachungsvorrichtung veranlassten Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung und dem Erreichen der Zuhaltelänge z länger ist als die Abklingzeit Tau.
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Um dies sicherzustellen ist bei der Auslegung des Röntgengeräts auf die Ausbildung der Türe und insbesondere auf den Türantrieb abzustellen. Besonders einfach erschließt sich dem Fachmann der Fall einer motorisch angetriebenen Türe, da der motorische Antrieb eine Bewegungsgeschwindigkeit der Türe vorgibt. Ist die Zuhaltelänge z mechanisch vorgegeben, so kann der Fachmann die Bewegungsgeschwindigkeit der Türe so einstellen, dass der von der Türe zurückgelegte Weg frühestens nach der Abklingzeit Tau der Zuhaltelänge z entspricht. Dies ist sowohl bei einer als Schiebetür als auch bei einer drehbar gelagerten Türe auf einfachste Weise möglich.
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Ist die Türe hingegen für eine mechanische Öffnung durch den Benutzer vorgesehen, so wird der Fachmann bei der Bemessung der Zuhaltelänge z auf die vom Benutzer maximal erreichbare Öffnungsgeschwindigkeit der Türe abstellen, die bei einer Schiebetür typisch im Bereich einiger Zentimeter pro Sekunde liegt, insbesondere zwischen einem und zwanzig Zentimetern. Neben der Art der Lagerung der Türe kann die Öffnungsgeschwindigkeit ggf. durch Einführung von passiven oder aktiven Dämpfungs- bzw. Bremseinrichtungen wie Öldämpfern, Wirbelstrombremsen etc. begrenzt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich jedoch, wenn eine Richtungswechselvorrichtung an der Türe vorgesehen ist, die eine Umkehr der Bewegungsrichtung der Türe im Zuhalteweg W erzwingt. Eine solche Richtungswechselvorrichtung kann sowohl im Fall einer Schiebetür (Linearbewegung) als auch im Fall einer Drehtür (Drehbewegung) rein mechanisch ausgebildet werden, was Vorteile in Bezug auf die Betriebssicherheit auch im Fall eines Stromausfalls mit sich bringt. Jedoch sind auch aktiv angesteuerte Richtungswechselvorrichtungen, z.B. auf elektromotorischer Basis denkbar. Eine Richtungswechselvorrichtung ermöglicht es einerseits, den bis zum Erreichen der Zuhaltelänge z zurückgelegten Weg der Türe zu optimieren, z.B. indem eine „Faltung“ des Wegs erzwungen wird, d.h. ein und derselbe Weg müssen zumindest einmal in Vorwärts- und einmal in Rückwärtsrichtung durchlaufen werden. Auf diese Weise können auch lange Zuhaltewege W verwirklicht werden, ohne dass eine mechanische Überdeckung von Türe und Gehäuse vergleichbare Abmessungen aufweisen muss. Andererseits begrenzt eine Richtungswechselvorrichtung auch die Öffnungsgeschwindigkeit der Türe, da eine „Zickzack-Bewegung“ der Türe mit mehrfachem Abbremsen und Beschleunigen der Türe verbunden ist, was die mittlere Öffnungsgeschwindigkeit deutlich verlangsamt.
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Ist die Tür als Schiebetür ausgebildet, so ist eine Lagerung der Tür in Gleitlagern oder auf Linearlagern, insbesondere Kugel- oder Wälzlagern, vorteilhaft. Ist die Tür hingegen um eine Drehachse drehbar aufgehängt, so ist die Tür vorteilhaft auf Drehlagern, z.B. Gleitlagern, Kugeln- oder Wälzlagern gelagert.
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Bei einer motorisch angetriebenen Türe ergeben sich besondere Vorteile, wenn die vom Antriebsmotor vorgegebene Öffnungsgeschwindigkeit beim Durchlaufen des Zuhaltewegs w von einer Motorsteuerung auf einen niedrigen Wert limitiert wird. Dieser wird vorteilhaft bei Erreichen der Zuhältelänge z erhöht, um den Bedienungskomfort zu erhöhen. Eine besonders hohe Sicherheit gegen Fehlbedienung, insbesondere gegen mutwilliges manuelles Öffnen der Türe, ergibt sich, wenn die motorisch angetriebene Tür keine Handhabe für eine manuelle Betätigung aufweist, z.B. auf die Anbringung eines Handgriffs an der Türe vollständig verzichtet wird.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst das Röntgengerät weiterhin eine Arretierungsvorrichtung, die einen Arretierungszustand einnehmen kann. In diesem verriegelt die Arretierungsvorrichtung die Türe im Schließzustand mittels eines Riegelmittels mechanisch. Eine solche Arretierungsvorrichtung kann z.B. als elektromechanisch betätigter Riegelbolzen ausgebildet sein. Die Arretierungsvorrichtung kann mit einer Ansteuereinheit der Quelle für Röntgenstrahlung zusammenwirken, die ebenfalls in die zentrale Steuereinheit des Röntgengeräts integriert sein kann. Die Ansteuereinheit kann so eingerichtet sein, dass eine Inbetriebnahme der Quelle für Röntgenstrahlung nur dann möglich ist, wenn die Arretierungsvorrichtung verriegelt ist. Hierzu kann z.B. die Bestromung eines elektromechanischen Antriebs der Arretierungsvorrichtung überwacht werden. Bevorzugt wird aber mittels einer zweiten Überwachungsvorrichtung der Arretierungszustand der Arretierungsvorrichtung selbst überwacht, d.h. das tatsächliche Vorliegen eines „verriegelten Zustands“ wird unabhängig vom Zustand eines evtl. vorhandenen, aber nicht zwingend erforderlichen, Antriebs der Arretierungsvorrichtung überwacht. Dies kann z.B. mittels (mechanischen oder elektrischen) Tastelementen, die die tatsächliche Lage des von der Arretierungsvorrichtung umfassten Riegelmittels erfassen, geschehen.
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Besonders bevorzugt ist die vom Röntgengerät umfasste Abschaltvorrichtung weiterhin dazu eingerichtet, die Quelle für Röntgenstrahlung abzuschalten, wenn die zweite Überwachungsvorrichtung detektiert, dass sich die Arretierungsvorrichtung nicht (mehr) im Arretierungszustand befindet.
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Mittels der vorstehend beschriebenen Arretierungsvorrichtung lassen sich somit zumindest zwei sicherheitsrelevanten Funktionen realisieren. Wird z.B. beim Einschalten des Röntgengeräts detektiert, dass sich die Arretierungsvorrichtung nicht im Arretierungszustand befindet, kann dies auf eine geöffnete, zumindest aber eine nicht ordnungsgemäß arretierte Türe hindeuten. In einem solchen Fall verhindert die Ansteuereinheit eine Inbetriebnahme der Quelle für Röntgenstrahlung. Hierzu kann das Röntgengerät eine Einschaltvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine zur Ansteuerung der Quelle für Röntgenstrahlung vorgesehene Hochspannungsversorgung nur dann in einen einschaltbereiten Zustand zu versetzen, wenn die zweite Überwachungsvorrichtung detektiert, dass sich die Arretierungsvorrichtung im Arretierungszustand befindet. Wird darüber hinaus bei einem Betrieb der Quelle für Röntgenstrahlung detektiert, dass sich die Arretierungsvorrichtung nicht (mehr) im Arretierungszustand befindet, wird mittels der Abschaltvorrichtung eine Abschaltung der Quelle für Röntgenstrahlung eingeleitet.
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Ein weiteres vorteilhaftes Sicherheitsmerkmal kann realisiert werden, wenn die Einschaltvorrichtung nach dem Einschalten des Röntgengeräts den einschaltbereiten Zustand der Hochspannungsversorgung erst dann aktiviert, wenn die erste Überwachungsvorrichtung zumindest einmalig einen Übergang der Türe vom geöffneten Zustand in den Schließzustand detektiert hat. Auf diese Weise wird die Funktionsfähigkeit der Arretierungsvorrichtung sowie der ersten und zweiten Überwachungsvorrichtungen überprüft. Wird ein Fehlverhalten detektiert, so ist eine Inbetriebnahme der Quelle für Röntgenstrahlung nicht möglich.
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Schließlich können weitere Vorteile in Bezug auf die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Röntgengeräts realisiert werden, wenn die Türe eine transparente Scheibe aus einem Röntgenstrahlung-absorbierenden transparenten Werkstoff, z.B. einem geeignet dotierten/gefüllten Kunststoff- oder Mineralglas, insbesondere aus bleigefülltem Acrylglas, umfasst.
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Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Röntgengeräts ergeben sich aus dem nachstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Alle technischen Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können auch im Zusammenhang mit anderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Röntgengeräts verwendet werden, soweit dies dem Fachmann technisch möglich und sinnvoll erscheint.
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In den Figuren zeigen:
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1: eine frontseitige Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Röntgengeräts,
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2: den zeitlichen Verlauf der den Experimentierraum erfüllenden Röntgenstrahlung nach dem Abschalten der Quelle der Röntgenstrahlung,
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3: eine Detailansicht eines Endbereichs der als Schiebetüre ausgebildeten Zugangstüre zum Experimentierraum zur Verdeutlichung des Zuhaltewegs W, und
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4a bis 4c: eine Detailansicht einer am Gehäuse angeordneten Richtungswechselvorrichtung in verschiedenen Zuständen.
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1 zeigt eine frontseitige Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Röntgengeräts 1, aus der der im Betrieb des Röntgengeräts 1 zumindest teilweise von Röntgenstrahlung erfüllte Experimentierraum 20 ersichtlich ist. Der Experimentierraum 20 ist dazu vorgesehen, die für die Durchführung von Experimente erforderlichen Vorrichtungen und Geräte wie Goniometer oder Dosimeter aufzunehmen (nicht dargestellt).
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Der Zugang zum Experimentierraum 20 ist möglich über eine frontseitig angeordnete mechanisch betätigte Schiebtür 30 aus einem Röntgenstrahlungabsorbierenden transparenten Werkstoff, bevorzugt aus bleigefülltem Acrylglas. Die Öffnungsrichtung der Schiebetür 30 wird durch den Pfeil A in 1 angedeutet. Die Schiebetür 30 ist in Gleitlagern in Richtung des Pfeils A (und in Gegenrichtung) verschiebbar gelagert. Zur mechanischen Betätigung der Schiebetür 30 weist diese einen aussenseitig angeordneten Griff 32 auf.
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Eine wechselbare Röntgenröhre 40 wird als Quelle für Röntgenstrahlung verwendet, wobei die Röntgenröhre 40 seitlich in das aus Stahlblech strahlungsdicht ausgeführte Gehäuse 10 des Röntgengeräts 1 eingeschoben und in Betriebsstellung automatisch elektrisch kontaktiert wird. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung wird die Röntgenröhre mittels einer (nicht dargestellten) Hochspannungsquelle mit der erforderlichen Betriebsspannung versorgt, wobei die Hochspannungsquelle von einer in der zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt) des Röntgengeräts 1 implementierten Ansteuereinheit gesteuert wird. In der Ansteuereinheit ist wiederum eine Einschaltvorrichtung implementiert, die dazu eingerichtet ist, die Hochspannungsversorgung in einen einschaltbereiten Zustand zu versetzen, sofern die grundsätzlichen Voraussetzungen hierfür gegeben sind, insbesondere die nachfolgend beschrieben Sicherheitsüberprüfungen erfolgreich abgeschlossen wurden. Weiterhin ist in der Ansteuereinheit eine Abschaltvorrichtung implementiert, die dazu vorgesehen ist, die Quelle für Röntgenstrahlung unter bestimmten Bedingungen durch Abschalten der Betriebsspannung der Röntgenröhre abzuschalten.
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Schließlich sind an der Vorderseite des Röntgengeräts 1 eine Vielzahl von Bedienelementen angeordnet, von denen zwei in verschiedenen Farben beleuchtbare Taster 4 („Türzuhaltung“) und 5 („Röntgenquelle ein/aus“) relevant im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind.
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2 zeigt nun schematisch den zeitlichen Verlauf der den Experimentierraum 20 erfüllenden Röntgenstrahlung nach dem Abschalten der Betriebsspannung der Röntgenröhre. Die Intensität I fällt exponentiell vom Ausgangswert I0 ab, wobei nach der Zeit τ die Strahlungsintensität Imax erreicht ist, die nach den zu beachtenden Strahlenschutzbestimmungen als Grenzwert für eine Exposition mit Röntgenstrahlung anzusehen ist. Die Zeit τ beträgt für typische Röntgengeräte für Schulungszwecke zwischen 100 und 1000 Millisekunden, beispielhaft wird sie auf den Wert τ = 600 Millisekunden gesetzt. Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gemacht, durch Einführung geeigneter Vorrichtungsmerkmale sicherzustellen, dass die Schiebetür 30 nach dem (ggf. erzwungenen) Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung frühestens nach Ablauf der Zeit τ, bevorzugt nach Ablauf einer minimalen Zuhaltezeit tz, die ein Mehrfaches der Zeit τ beträgt und bevorzugt im Intervall 2Tau < tz < 5 τ liegt, den Zugang zum Experimentierraum 20 freigibt.
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3 zeigt eine Detailansicht eines Endbereichs der als Schiebetüre ausgebildeten Zugangstüre 30 zum Experimentierraum 20. Das Röntgengerät 1 umfasst eine erste Überwachungsvorrichtung 50, die dazu eingerichtet ist, einen vordefinierten Schließzustand der Tür 30 anzuzeigen. Diese erste Überwachungsvorrichtung 50 kann z.B. auf mechanischen Schaltern basieren, die von an der Tür 30 ausgebildeten Schaltnocken betätigt werden. Jedoch ist auch eine berührungslose Überwachung des Öffnungs- bzw. Schließzustands der Tür 30 z.B. mittels optischen oder magnetischen Sensoren möglich.
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Weiterhin umfasst das Röntgengerät 1 eine Arretierungsvorrichtung 60, die ein elektromechanisch betätigtes Riegelmittel in Form eines Verschlussbolzens umfasst (nicht dargestellt), der im Arretierzustand der Arretierungsvorrichtung 60 die in ihrem Schließzustand befindliche Tür 30 durchgreift und die Tür 30 damit im Schließzustand arretiert. Die Arretierungsvorrichtung 60 umfasst eine zweite Überwachungsvorrichtung 62, die dazu vorgesehen ist, die Lage des Riegelmittels zu detektieren. Insbesondere ist die zweite 62 dazu eingerichtet, mit einer Ansteuereinheit der Quelle für Röntgenstrahlung zusammenwirken, die ebenfalls in eine zentrale Steuereinheit des Röntgengeräts integriert ist. Die Ansteuereinheit ist so eingerichtet, dass eine Inbetriebnahme der Quelle für Röntgenstrahlung nur dann möglich ist, wenn die Arretierungsvorrichtung verriegelt ist. Hierzu wird mittels einer zweiten Überwachungsvorrichtung 62 der Arretierungszustand der Arretierungsvorrichtung überwacht, d.h. das tatsächliche Vorliegen eines „verriegelten Zustands“ wird unabhängig vom Zustand des elektromechanischen Antriebs der Arretierungsvorrichtung 60 überwacht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel geschieht dies mittels elektromechanischen Tastelementen, die die tatsächliche Lage des von der Arretierungsvorrichtung umfassten Riegelmittels erfassen.
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Weiterhin ist die in die Ansteuereinheit integrierte Abschaltvorrichtung dazu eingerichtet, die Quelle für Röntgenstrahlung abzuschalten, wenn die zweite Überwachungsvorrichtung 62 detektiert, dass sich die Arretierungsvorrichtung nicht (mehr) im Arretierungszustand befindet.
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Weiterhin ist in 3 eine Richtungswechselvorrichtung 70 dargestellt, die eine mechanische Zwangsführung für einen an der Tür 30 angeordneten Führungszapfen (nicht dargestellt) ausbildet. In dieser Richtungswechselvorrichtung 70 wird der an der Tür 30 angeordnete Führungszapfen über einen Teil des Zuhaltewegs W geführt, wodurch die Richtungswechselvorrichtung 70 einen speziellen Bewegungsablauf der Tür 30 zum Überführen der Tür 30 aus ihrem Schließzustand in den Öffnungszustand erzwingt.
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Grob gestrichelt ist in 3 die Position der Tür 30 in ihrem Schließzustand (a) dargestellt. Um die Tür 30 nun aus dem Schließzustand (a) in den geöffneten Zustand (c) überführen zu können, muss die Tür 30 entgegen ihrer Öffnungsrichtung A in die Entriegelungsstellung (b) gebracht werden. Erst in dieser Entriegelungsstellung gibt die Richtungswechselvorrichtung 70 eine Bewegung des an der Tür 30 angeordneten Führungsbolzens in die Öffnungsrichtung A frei, so dass die Tür 30 tatsächlich geöffnet werden kann, um den Experimentierraum 20 für den Bediener des Geräts 1 zugänglich zu machen.
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Im Schließzustand der Tür 30 entspricht die strahlungsdichte mechanische Überdeckung zwischen Tür 30 und Gehäuse 10 der Überdeckungslänge d. Um nun vom Schließzustand in einen Zustand überführt zu werden, in dem die strahlungsdichte mechanische Überdeckung zwischen Tür 30 und Gehäuse 10 aufgehoben, d.h. ein Austritt von Röntgenstrahlung aus dem Experimentierraum 20 möglich ist, muss die Tür 30 entgegen der Pfeilrichtung A um die Länge x1 in den Entriegelungszustand verschoben werden. Dort ist ein Richtungswechsel möglich, so dass die Tür 30 nach einer weiteren Verschiebung um die Länge x1 wieder am Ausgangspunkt angekommen ist. Von diesem Ausgangspunkt, der mit der Verriegelungslage der Tür 30 übereinstimmt, muss die Tür nochmals um die Überdeckungslänge d in Richtung des Pfeils A verschoben werden, bevor ein Zugang zum Experimentierraum 20 möglich wird. Die gesamte Verriegelungslänge z beträgt damit z = d + 2·x1.
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Diese Verriegelungslänge z wird nun so bemessen, dass der von der Richtungswechselvorrichtung 70 erzwungene Bewegungsablauf der Tür 30 zumindest so lange dauert wie die Abklingzeit τ wie im einleitenden Teil beschrieben.
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4 in ihren Teilen a, b und c zeigt nun eine mögliche Ausgestaltung einer Richtungswechselvorrichtung 70, die eine Mimik für den vorstehend beschriebenen Bewegungsablauf bereitstellt. Ein Betätiger 72 aus Stahlblech ist mit Sicherheitsschrauben unlösbar mit der Tür 30 verbunden. Er trägt einen Zapfen 74, der in eine Steuerkulisse 76 greift. Die Steuerkulisse 76 ist vertikal verschiebbar in einer Linearführung 78, die am Gehäuse 10 angebracht ist. Die Positionierung der Steuerkulisse 76 in vertikaler Richtung erfolgt durch zwei Druckfedern (nicht dargestellt).
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Im Schließzustand der Tür 30 gemäß 4a ist der Zapfen 74 des Betätigers 72 in der Steuerkulisse 76 eingehängt. Die die Tür ist für eine Bewegung in Richtung des Pfeils A blockiert und lässt sich daher in der intuitiven Öffnungsrichtung A nicht bewegen. Erst nach vollständigem Durchschieben des von der Mimik 76 vorgegebenen Parcours gemäß 4b kommt der Zapfen 74 frei und die Tür 30 lässt sich in Öffnungsrichtung A ganz öffnen. Der Schließvorgang ist in 4c dargestellt.
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Im Falle der Zerstörung und/oder des vollständigen Verlustes der (nicht dargestellten) unteren Feder lässt sich die Tür 30 zwar öffnen, aber nicht mehr schließen. Der Schließzustand der Tür 30 wird nicht mehr erreicht.
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Auf der Geräterückseite befindet sich der zentrale Ein-/Aus-Schalter für das Röntgengerät 1. Nach dem Starten des Geräts 1 führt das Gerät 1 – unabhängig von der Art der Steuerung – zunächst eigenständig eine Systemkontrolle für eine Sicherheitsüberprüfung durch. Dafür ist es notwendig, dass der Bediener bei jedem Einschalten die Schiebetür 30 einmalig öffnet und schließt. Hierbei wird eine beim vorherigen Ausschalten des Geräts 1 möglicherweise verriegelt gebliebene Tür 30 selbstständig entriegelt.
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Der bei der Systemkontrolle ermittelte Gerätestatus wird im Bedienfeld über die Farben der Taster 2 und 3 dargestellt. Die am Ende der Startprozedur möglichen Gerätezustände, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, werden nachfolgend erläutert:
Tabelle 1: Übersicht der drei möglichen Betriebszustände des Röntgengeräts nach dem Einschalten.
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Im Betriebszustand 1 ist die Röntgenstrahlung nicht anschaltbar. Ein möglicher Grund hierfür kann eine geöffnete Schiebetür 30 sein. Die Hochspannungsquelle ist abgeschaltet und lässt sich auch nicht einschalten. In diesem Betriebszustand ist der Experimentierraum 20 zugänglich.
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Im Betriebszustand 2 ist die Röntgenstrahlung anschaltbar, da die Tür 30 nun zugeschoben ist (erste Überwachungsvorrichtung 50 detektiert: „Tür 30 im Schließzustand“) und durch Betätigen des Tasters 4 („Türzuhaltung“) befindet sich die Arretierungsvorrichtung 60 im Arretierzustand (zweite Überwachungsvorrichtung 62 detektiert: „Riegelmittel im Schließzustand“). In diesem Betriebszustand ist die Hochspannungsquelle einschaltbar, und die Statusanzeige des Tasters 5 „Röntgenstrahlung ein/aus“ leuchtet orange, womit die Möglichkeit angezeigt wird, dass nun Röntgenstrahlen emittiert werden können.
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Im Betriebszustand 3 wird – durch Betätigung des Tasters 5 getriggert – Röntgenstrahlung emittiert. In diesem betriebszustand werden die Sollwerte von Hochspannung und Strahlstrom eingeregelt, der Experimentierraum ist von Röntgenstrahlung erfüllt.
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Aus dem Betriebszustand 3 ist nun ein Wechsel in den Betriebszustand 2 über zwei reguläre Wege möglich. Durch erneutes Drücken des Tasters 5 werden die Sollwerte für Hochspannung und Strahlstrom auf null zurückgeregelt. Durch nachfolgendes Drücken des Tasters 4 wird die Arretierungsvorrichtung 60 entriegelt, die Tür 30 ist zum Öffnen freigegeben.
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Alternativ kann im Betriebszustand 3 auch direkt der Taster 4 betätigt werden, worauf eine Abschaltung der Quelle für Röntgenstrahlung erfolgt und die Arretierungsvorrichtung 60 entriegelt wird, die Tür 30 ist zum Öffnen freigegeben. In beiden Fällen kann es vorteilhaft sein, bei einer Betätigung des Tasters 4 eine Freigabe der Arretierungsvorrichtung 60 erst nach einer voreingestellten Totzeit (Delay) zu veranlassen. Dieser Delay kann ebenfalls in der Größenordnung der Abklingzeit τ liegen, bevorzugt beträgt er zwischen 0,5 und 5 Sekunden, insbesondere zwischen 1 und 2 Sekunden.
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Grundsätzlich kann aus jedem der drei beschriebenen Zustände heraus das Gerät 1 abgeschaltet werden, ohne dass Störungen auftreten.
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Das Röntgengerät gemäß des diskutierten Ausführungsbeispiels ist ein Laborgerät mit einem geschlossenen Schutzgehäuse aus Stahlblech. Es wird sichergestellt, dass bei geschlossenem Gehäuse in jeder möglichen Betriebsart die gesetzlichen Vorgaben der Strahlenschutzverordnung für Schul- und Vollschutzröntgengeräte eingehalten werden. Die systemkonformen wechselbaren Röntgenröhren weisen unterschiedliche Anodenmaterialen auf und sind prefokussiert in Wechseleinschübe eingebaut.
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Alle Experimente mit der Röntgenstrahlung werden in einem geschlossenen Experimentierraum innerhalb des Gerätes durchgeführt. Dadurch eignet sich das Gerät besonders für den naturwissenschaftlichen Unterricht sowie für Praktikaund Demonstration von Phänomenen der Röntgenstrahlung.
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Erfindungsgemäß lassen sich zumindest die folgenden zwei Sicherheitsfunktionen definieren:
- • Abschalten der Quelle für Röntgenstrahlung / Hochspannungsversorgung und abgeschaltet lassen bei Öffnen der Schiebetür,
- • Zuhalten der Schiebetür bis die Intensität der Röntgenstrahlung im Experimentierraum 20 auf einen Wert Imax bzw. Hochspannung an der Röntgenröhre auf einen Wert Umax (bevorzugt: Umax ≤ 5 kV) abgeklungen ist.
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Folgende Szenarien können zu einer Freigabe des Zugangs zum Experimentierraum 20 und damit zu einer möglichen Strahlenexposition führen
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Regulärer Fall: Das Röntgengerä0 befindet sich im Betriebszustand 3, zum Zeitpunkt t0 wird in den Betriebszustand 2 gewechselt. Das Abklingen der Strahlung im Experimentierraum findet im gewählten Ausführungsbeispiel innerhalb von 0,6 Sekunden statt. Ein Strahlaustritt aus dem Experimentierraum 20 wird verhindert, da die Arretierungsvorrichtung 60 die Tür 30 erst nach einem Delay von 2 Sekunden entriegelt. Somit ist sichergestellt, dass im normalen Betrieb es zu keiner unzulässigen Strahlenexposition kommt.
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Sollte der irreguläre Fall auftreten, dass im Betriebszustand 3 zum Zeitpunkt t0 die Türverriegelung öffnet, ist durch nachfolgend beschriebene Maßnahmen sichergestellt, dass der Bediener keiner unzulässigen Strahlenexposition ausgesetzt wird. Zunächst ist davon auszugehen, dass der Bediener im irregulären Fall nicht sofort versucht, die Schiebetür zu öffnen. Sollte der Bediener sich entgegen dieser Annahmen verhalten, wird eine Reaktionszeit des Bedieners T1 im Bereich von 0,2 Sekunden angenommen. In diesem Zeitraum muss der Bediener den irregulären Betriebszustand erkannt haben und zu der Entscheidung gekommen sein, die Schiebetür sofort zu öffnen. Im Zeitraum T2 öffnet der Bediener die Schiebetür. Dank der rein mechanisch implementierten Konstruktion der Richtungswechselvorrichtung 70 lässt sich die Schiebetür 30 nicht der intuitiven Bewegung folgend direkt öffnen. Vielmehr muss zunächst die Schiebetür 30 entgegen der intuitiven Öffnungsrichtung in Richtung „geschlossen“ geschoben werden (ca. 8mm), worauf ein mechanischer Verriegelungsbolzen über eine Rückholfeder (Abbildung 11) zurückgezogen wird. Erst dann kann die Schiebetür aufgeschoben werden. Die Blechkulissen des Stahlgehäuses verhindern nun konstruktiv durch einen Überlapp über eine Schiebestrecke von 30 mm den Strahlaustritt. Das Öffnen der Schiebetür bis zum möglichen Strahlenaustritt zum Zeitpunkt T1 + T2 ist verlangsamt und folgt einer komplexen, nicht intuitiven Bewegung, wodurch dieser mehr als eine Sekunde dauert. Mit diesen Maßnahmen wird im irregulären Fall verhindert, dass vor Abklingen der Strahlung (τ = 0,6 Sekunden) der Bediener die Schiebetür 30 soweit öffnet, dass Strahlenexposition auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgengerät
- 4
- erster Taster
- 5
- zweiter Taster
- 10
- Gehäuse
- 20
- Experimentierraum
- 30
- Tür
- 32
- Türgriff
- 40
- Röntgenröhre
- 50
- erste Überwachungsvorrichtung
- 60
- Arretierungsvorrichtung
- 62
- zweite Überwachungsvorrichtung
- 70
- Richtungswechselvorrichtung
- 72
- Betätiger
- 74
- Zapfen
- 76
- Steuerkulisse
- 78
- Linearführung
