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Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere einen Röntgenstrahlungsdetektor für einen Computertomographen.
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Röntgenstrahlungsdetektoren zur Erfassung von Röntgenstrahlung, insbesondere quantenzählende Röntgendetektoren, weisen eine für Röntgenstrahlung sensitive Sensorschicht auf, die mit einer Auswerteelektronik gekoppelt ist. Diese Sensorschicht ist herkömmlicherweise aus einem Halbleitermaterial (z. B. amorphes Selen, eine Gallium-Arsenit- oder Cadmium-Tellur-Verbindung oder dergleichen) gebildet. Beim Einfall von Röntgenstrahlung werden in der Sensorschicht Elektronen-Loch-Paare (Ladungsträger negativ bzw. positiv geladener Ladung) gebildet. Diese Ladungsträger bilden wiederum jeweils eine positive und negative Raumladungswolke.
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Aufgrund einer an der Sensorschicht angelegten (elektrischen) Spannung werden die Ladungsträger voneinander getrennt und bewegen sich zu den jeweils entgegengesetzt geladenen (auf der Oberfläche der Sensorschicht angeordneten) Elektroden. Durch den hierdurch verursachten Strom wird in der Auswerteelektronik ein (elektrisches) Signal erzeugt, das proportional zu der Energie der absorbierten Röntgenstrahlung ist. Bei einem quantenzählenden Röntgendetektor werden abweichend hiervon einzelne Röntgenquanten (Photonen) und ggf. deren individuellen Quantenenergien detektiert.
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US 5 852 296 A und
US 2007/0111358 A1 geben jeweils Beispiele für einen Schutz der der Sensorschicht nachgeordneten Auswertelektronik gegen strahlungsbedingt erzeugte Überspannungen an.
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Um einen hinreichend schnellen Transport der Ladungsträger (der Raumladungswolken) durch die Sensorschicht hindurch zu erreichen, werden – je nach Dicke der Sensorschicht – Spannungen von etwa –300 V bis zu mehr als –2.000 V an die Sensorschicht angelegt (entsprechend einer elektrischen Feldstärke von etwa –10 kV/mm).
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Insbesondere für Computertomographen werden großflächige Röntgenstrahlungsdetektoren benötigt. Eine Herstellung von durchgängigen Sensorschichten mit einer Kantenlänge von mehreren 10 Zentimetern ist allerdings technisch sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Um dennoch möglichst kostengünstig großflächige Röntgenstrahlungsdetektoren fertigen zu können, werden häufig mehrere vergleichsweise kleine (Einzel-)Detektorelemente mit vorstehend beschriebenem Aufbau nebeneinander angeordnet. Diese Detektorelemente haben typischerweise eine Sensorfläche zwischen 1 und 4 cm2. Um eine möglichst hohe Bildqualität (insbesondere eine hohe Auflösung) zu erreichen, werden diese Detektorelemente außerdem mit möglichst geringem Abstand von zum Beispiel ca. 0,1–0,5 mm zueinander angeordnet.
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Im Betrieb des Röntgenstrahlungsdetektors kann es zu einem Fehlerfall kommen, bei dem die Spannung eines Detektorelements von ihrer bestimmungsgemäßen Betriebsspannung abweicht. Ein solcher Fehlerfall liegt beispielswiese bei einem Defekt der diesem Detektorelement zugeordneten Spannungsversorgung oder der Auswerteelektronik vor. Hierbei bricht die Betriebsspannung regelmäßig deutlich ein, meist auf einen Spannungswert von 0 V. Ein Fehlerfall kann aber auch in Form einer Spannungsschwankung, insbesondere durch eine Überspannung auftreten, wobei in letzterem Fall die aktuelle Spannung eines Detektorelements die Betriebsspannung deutlich überschreitet. In beiden Fehlerfällen entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen dem fehlerhaften Detektorelement und dem oder jedem (unmittelbar) benachbarten Detektorelement. Sofern diese Spannungsdifferenz einen kritischen Spannungswert übersteigt, kann es zu einem (Funken-)Überschlag zwischen diesen zwei benachbarten Detektorelementen kommen. Durch den Überschlag kann die Sensorschicht beider Detektorelemente (sowie auch deren Auswerteelektronik) zerstört werden. Die Gefahr von Funkenüberschlägen im Fehlerfall wird dabei insbesondere durch den geringen räumlichen Abstand der Detektorelemente zueinander begünstigt.
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Ein weiterer Ansatz zum Überspannungsschutz eines Detektorelements eines Röntgenstrahlungsdetektors ist beispielsweise aus
DE 10 2010 027 128 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrahlungsdetektor mit hoher Betriebssicherheit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgenstrahlungsdetektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der erfindungsgemäße Röntgenstrahlungsdetektor (im Folgenden kurz als Röntgendetektor bezeichnet) umfasst mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete Detektorelemente. An jedes dieser Detektorelemente ist im Betrieb zur Detektion von auftreffender Röntgenstrahlung eine (elektrische) Hochspannung angelegt. Diese – auch als „Betriebsspannung” bezeichnete Hochspannung – hat dabei vorzugsweise einen Spannungswert zwischen ca. –500 und –1.500 V, insbesondere zwischen ca. –900 und –1.000 V. Zwei benachbarte Detektorelemente sind dabei mittels einer Schutzschaltung miteinander gekoppelt. Diese Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, eine Spannungsdifferenz – genauergesagt den Betrag – zwischen den zwei benachbarten Detektorelementen – genauergesagt den Betrag dieser Spannungsdifferenz – auf einen Spannungswert zu begrenzen, bei dem ein (Funken-)Überschlag zwischen den beiden Detektorelementen unter normalen Bedingungen ausgeschlossen ist. Dieser – im Hinblick auf das Risiko eines Funkenüberschlags – unkritische Spannungswert wird im Folgenden als Spannungsgrenzwert bezeichnet. Der Spannungsgrenzwert ist vorzugsweise mit hinreichend großem Sicherheitsabstand zu einem kritischen Spannungsbereich gewählt, in dem mit Überschlägen gerechnet werden muss.
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Vorzugsweise umfasst der Röntgendetektor eine Vielzahl von Detektorelementen (insbesondere wesentlich mehr als zwei Detektorelemente), die insbesondere in einer Reihe (auch als „Detektorzeile” bezeichnet) nebeneinander angeordnet sind. In diesem Fall sind stets jeweils die unmittelbar benachbarten Detektorelemente der Detektorzeile mittels der Schutzschaltung miteinander gekoppelt. Optional umfasst der Röntgendetektor eine Aneinanderreihung mehrerer solcher Detektorzeilen, so dass die Detektorelemente in einem zweidimensionalen Raster (als sogenanntes „Array”) angeordnet sind. Vorzugsweise ist in diesem Fall auch ein Detektorelement einer Detektorzeile mit dem nächstliegenden Detektorelement der benachbarten Detektorzeile mittels der Schutzschaltung gekoppelt.
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Grundsätzlich kann es sich im Rahmen der Erfindung bei dem Röntgendetektor um einen herkömmlichen Röntgendetektor, beispielsweise einen „Flat-Panel-Detektor” handeln, der nach dem Prinzip der direkten Konversion arbeitet. Bei einem solchen Flat-Panel-Detektor wird in einer Sensorschicht einfallende Röntgenstrahlung unmittelbar unter Bildung von Elektronen-Loch-Paaren absorbiert. Diese Elektronen-Loch-Paare werden unter Wirkung einer an der Sensorschicht angelegten elektrischen Spannung getrennt. Mittels einer Auswerteelektronik wird dabei ein Signal ermittelt, das die Energie vieler auftreffender Röntgenphotonen kumulativ wiederspiegelt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Röntgendetektor aber um einen quantenzählenden (oder auch photonenzählenden) Röntgendetektor. Bei diesem wird die unter direkter Konversion erzeugte und durch die Sensorschicht transportierte Ladung derart auf die Auswerteelektronik geleitet und mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen, dass einzelne einfallende Röntgenphotonen sowie deren individuelle Quanten-Energie erfasst werden können.
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Bei den Detektorelementen handelt es sich vorzugsweise jeweils um ein in sich abgeschlossenes Modul (auch als „Sensorboard” bezeichnet). Dieses umfasst insbesondere die Sensorschicht aus Halbleitermaterial, an deren Ober- und Unterseite Elektroden zum Anlegen der Betriebsspannung angeordnet sind. Außerdem umfasst das Detektorelement die der Sensorschicht zugeordnete Auswerteelektronik (z. B. einen Mikrocontroller oder insbesondere ein ASIC).
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Dadurch, dass jeweils zwei benachbarte Detektorelemente mittels der Schutzschaltung gekoppelt sind, wird effektiv und fehlersicher verhindert, dass die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Detektorelementen in den kritischen Spannungsbereich gerät. Ein Überschlag zwischen den beiden Detektorelementen wird somit effektiv unterbunden.
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Für den Fall, dass mehr als zwei Detektorelemente nebeneinander angeordnet sind, kann durch die Schutzschaltung vorteilhafterweise auch verhindert werden, dass bei einem Fehlerfall an einem Detektorelement sich ein Überschlag kaskadenartig (nach Art des Dominoeffekts) fortsetzt. In Abwesenheit der Schutzschaltung könnte ein solcher Dominoeffekt dadurch auftreten, dass aufgrund eines Überschlags zwischen einem ersten und einem zweiten Detektorelement die Spannung des ursprünglich (auf Betriebsspannung liegenden) „intakten” zweiten Detektorelements einbricht, insbesondere auf 0 V abfällt. Somit würde die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Detektorelement und dem an diesem angrenzenden dritten Detektorelement ebenfalls in den kritischen Spannungsbereich geraten und ggf. einen weiteren Überschlag auslösen.
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Vorzugsweise ist der Spannungsgrenzwert an die mechanischen und/oder klimatischen Umgebungsbedingungen der Detektorelemente angepasst. Die mechanischen Umgebungsbedingungen sind dabei insbesondere durch den Abstand zwischen zwei Detektorelementen gegeben. Bei den klimatischen Umgebungsbedingungen handelt es sich beispielsweise um die Luftfeuchte, die Temperatur und beispielsweise den Luftdruck, für die das Detektorelement ausgelegt ist. Die Umgebungsbedingungen beeinflussen dabei regelmäßig den kritischen Spannungsbereich, in dem mit Überschlägen zwischen den zwei benachbarten Detektorelementen gerechnet werden muss.
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In bevorzugter Ausführung des Röntgendetektors umfasst die Schutzschaltung ein Schutzelement, vorzugsweise in Form einer – insbesondere bipolaren – Suppressordiode. Diese wird auch als Transient Absorption Zener Diode (TAZ-Diode) oder Transient Voltage Suppressor Diode (TVS-Diode) bezeichnet. Die Durchbruchspannung der Suppressordiode entspricht dabei dem Spannungsgrenzwert. Die Suppressordiode weist vorteilhafterweise einen besonders steilen Verlauf ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie sowie eine besonders kurze Reaktionszeit (einige Nanosekunden) auf. Aufgrund der vorzugsweise bipolaren Ausführung der Suppressordiode wird zudem mittels lediglich eines einzelnen Bauteils ein effektiver Schutz beider Detektorelemente erreicht und zudem vorteilhafterweise Montageaufwand und Bauraum reduziert.
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In alternativer Ausführung umfasst die Schutzschaltung als Schutzelement zwei anti-seriell geschaltete (das heißt mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltete) Zener-Dioden. Die Durchbruchspannung der Zener-Dioden entspricht dabei wiederum ebenfalls dem Spannungsgrenzwert.
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In wiederum alternativer Ausgestaltung umfasst die Schutzschaltung als Schutzelement einen spannungsabhängigen Widerstand (auch als Varistor bezeichnet). Der Varistor ist dabei ebenfalls derart ausgelegt, dass seine Spannungsschwelle, ab der seine Leitfähigkeit sprunghaft zunimmt, dem gewünschten Spannungsgrenzwert entspricht.
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In weiterer optionaler Ausführung umfasst die Schutzschaltung als Schutzelement einen gasgefüllten Überspannungsableiter (Gasableiter). Bei einem solchen Gasableiter wird ab dem Spannungsgrenzwert innerhalb eines gasgefüllten Gehäuses zwischen zwei Elektroden ein Lichtbogen gezündet, der wiederum eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden herstellt.
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Um bei einem zeitlich lang (d. h. über mehrere Sekunden oder länger) anhaltenden Fehlerfall einen zusätzlichen Schutz der Detektorelemente sowie gegebenenfalls des jeweiligen Schutzelements der Schutzschaltung selbst zu ermöglichen, umfasst die Schutzschaltung in zweckmäßiger Ausführung zusätzlich oder alternativ zu dem einen der vorstehend beschriebenen Schutzelemente Mittel zum Unterbrechen der Spannungsversorgung der Detektorelemente, die in dem Fall, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Detektorelementen den Spannungsgrenzwert hinreichend lange überschreitet, die Spannungsversorgung unterbrechen. Als Mittel zur Unterbrechung der Spannungsversorgung wird vorzugsweise eine sogenannte Klemmschaltung eingesetzt, die die Spannungsversorgung der Detektorelemente im Fehlerfall kurzschließt und dadurch eine dem Röntgendetektor zugeordnete Sicherung auslöst. Zweckmäßigerweise weist die Klemmschaltung dazu einen Thyristor oder ein vergleichbares Schaltelement auf, der bzw. das durch das Ansprechen des Schutzelements getriggert wird. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung als Mittel zum Unterbrechen der Spannungsversorgung auch ein Mikroprozessor vorgesehen sein. Mittels des Mikroprozessors wird beispielsweise überwacht, ob sich das jeweilige Schutzelement im leitenden Zustand befindet (also ob der Spannungsgrenzwert überschritten ist). In diesem Fall wird – vorzugsweise bei zusätzlich drohender Überlastung des Schutzelements und/oder nach Ablauf einer Wartezeit – die Spannungsversorgung der Detektorelemente abgeschaltet. Durch die Kombination eines der vorstehend beschriebenen Schutzelemente mit den Mitteln zum Unterbrechen der Spannungsversorgung kann effektiv verhindert werden, dass bei Überschreiten des Spannungsgrenzwertes das jeweilige Schutzelement insbesondere thermisch (durch die gegebenenfalls auftretenden hohen Ableitströme) überlastet oder zerstört wird.
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Der erfindungsgemäße Röntgendetektor ist bevorzugt zum Einsatz in einem (medizinischen oder industriellen) Computertomographen vorgesehen. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung aber ebenfalls möglich, den Röntgendetektor in einem anderen Gerät einzusetzen, das ein großflächiges Detektorfeld mit mehreren Elementen aufweist, z. B. ein C-Bogen-Röntgengerät oder ein Elektronenmikroskop mit Röntgenanalyse.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer und ausschnitthafter Darstellung einen Röntgenstrahlungsdetektor mit vier nebeneinander angeordneten Detektorelementen, wobei jeweils zwei benachbarte Detektorelemente mittels einer Schutzschaltung miteinander gekoppelt sind, und
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2-4 in Ansicht gemäß 1 alternative Ausführungsbeispiele der Schutzschaltung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 bis 4 ist ein Röntgenstrahlungsdetektor (kurz Röntgendetektor 1) dargestellt. Der Röntgendetektor 1 umfasst eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Detektorelementen 2, von denen zur Vereinfachung lediglich vier dargestellt sind. Jedes Detektorelement 2 umfasst eine aus einem Halbleitermaterial (z. B. Cadmium-Telurid) hergestellte Sensorschicht sowie eine mit dieser Sensorschicht verbundene Auswerteelektronik. Zur Detektion von auf eines der Detektorelemente 2 einfallender Röntgenstrahlung ist an die Sensorschicht eine Spannung S, konkret eine Hochspannung von –900 V angelegt (diese Hochspannung wird im Folgenden als Betriebsspannung SB bezeichnet). Die der Auswerteelektronik abgewandte (und der Röntgenquelle zugewandte) Vorderseite der Sensorschicht liegt dabei auf negativem Potential. Die der Auswerteelektronik zugewandte Rückseite liegt auf einem gegenüber der Vorderseite höheren Potential (z. B. Masse). Dadurch wird erreicht, dass die durch die Röntgenstrahlung in der Sensorschicht erzeugten Elektronen-Loch-Paare getrennt und die (negativ geladenen) Elektronen in Richtung auf die Auswerteelektronik „driften”. Diese Elektronen erzeugen in der Auswerteelektronik ein elektrisches Signal, das charakteristisch für die in das Detektorelement 2 einfallende Röntgenstrahlung ist. Die Betriebsspannung SB wird dabei jedem Detektorelement 2 jeweils durch einen Hochspannungskanal eines Netzteils bereitgestellt (nicht näher dargestellt).
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Die einzelnen Detektorelemente 2 sind mit einem besonders geringen Abstand von zum Beispiel 0,3 mm zueinander angeordnet, um eine möglichst hohe Bildqualität des mittels aller Detektorelemente 2 zusammengesetzten Röntgenbildes zu ermöglichen.
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Im Betrieb kann es zu einem Fehlerfall kommen, bei dem die Spannung S eines der Detektorelements 2 von der Betriebsspannung SB auf einen deutlich abweichenden Spannungswert von z. B. 0 V einbricht. Dieser Fehlerfall kann beispielsweise aufgrund eines Defekts an dem dem Detektorelement 2 zugeordneten Hochspannungskanal oder aufgrund einer beschädigten Auswerteelektronik auftreten. Das entsprechende Detektorelement 2 wird im Folgenden als „defekt” bezeichnet.
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Im Fehlerfall nimmt somit eine Spannungsdifferenz ΔS zwischen dem defekten Detektorelement 2 und dem benachbarten, weiterhin auf Betriebsspannung SB liegenden (als „intakt” bezeichneten) Detektorelement 2 betragsmäßig einen hohen Wert an – für den Fall, dass die Spannung S an dem defekten Detektorelement 0 V beträgt, beträgt die Spannungsdifferenz ΔS also konkret 900 V. Die Spannungsdifferenz ΔS gerät dabei – begünstigt durch den geringen Abstand der Detektorelemente 2 zueinander – in einen kritischen Spannungsbereich, in dem ein Überschlag zwischen den beiden Detektorelementen 2, also ein Funke oder Lichtbogen zwischen den beiden Detektorelementen 2 zu erwarten ist. Durch diesen Überschlag können die Sensorschichten der beiden Detektorelemente 2 oder die Detektorelemente 2 als Ganzes zerstört werden.
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Um einen solchen Überschlag zu verhindern, sind jeweils zwei unmittelbar benachbarte Detektorelemente 2 mittels einer Schutzschaltung 4 miteinander gekoppelt. Die Schutzschaltung 4 ist dazu eingerichtet und vorgesehen, die Spannungsdifferenz ΔS zwischen den zwei Detektorelementen 2 auf einen unkritischen Spannungswert (als Spannungsgrenzwert ΔSG bezeichnet) zu begrenzen. Der Spannungsgrenzwert ΔSG weist dabei einen hinreichend großen Abstand zu dem kritischen Spannungsbereich auf, so dass ein Überschlag effektiv verhindert wird.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Schutzschaltung 4 zwei anti-seriell (das heißt mit ihrer Polung entgegengesetzt in Reihe) geschaltete Zener-Dioden 6. Durch die anti-serielle Schaltung wird der Stromfluss zwischen den zwei benachbarten Detektorelementen 2 in beide Richtungen gesperrt, wenn die Spannungsdifferenz benachbarter Module kleiner als der Spannungsgrauwert ist. Die den Zener-Dioden zugeordnete Durchbruchspannung, also die Spannung, ab der die Zener-Diode 6 (strom-)leitend wird, entspricht dabei dem Spannungsgrenzwert ΔSG.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Schutzschaltung 4 anstelle der beiden Zener-Dioden 6 eine bipolare Suppressordiode 8.
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In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 3 umfasst die Schutzschaltung 4 einen gasgefüllten Überspannungsableiter (Gasableiter 10). Innerhalb eines Gehäuses des Gasableiters 10 wird bei Überschreiten des Spannungsgrenzwertes ΔSG ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden gezündet, so dass Strom zwischen den zwei benachbarten Detektorelementen 2 fließen und die Spannungsdifferenz ΔS abgebaut werden kann.
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In einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst die Schutzschaltung 4 einen als Varistor 12 bezeichneten spannungsabhängigen Widerstand. Der Spannungswert, ab dem der (differentielle) Widerstand des Varistors 12 sprunghaft abfällt (und somit die Stromleitfähigkeit des Varistors 12 zunimmt), entspricht hierbei wiederum dem Spannungsgrenzwert ΔSG.
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In einem weiteren (nicht näher dargestellten) Ausführungsbeispiel umfasst die Schutzschaltung 4 neben der bipolaren Suppressordiode 8 zusätzlich eine Klemmschaltung. Die Klemmschaltung ist dazu eingerichtet, bei Ansprechen des jeweiligen Schutzelements (hier der Suppressordiode 8), also wenn die Spannungsdifferenz ΔS den Spannungsgrenzwert ΔSG überschreitet, zusätzlich die Spannungsversorgung der Detektorelemente 2 zu unterbrechen. Aufgrund ihrer vergleichsweise langen Reaktionsdauer spricht die Klemmschaltung nur bei länger andauernden Fehlerfällen an.
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Dadurch wird bei einem zeitlich lang anhaltenden Spannungsabfall an einem der Detektorelemente 2 verhindert, dass die (im Vergleich zu der Klemmschaltung schneller ansprechende) Suppressordiode 8 thermisch überlastet und/oder zerstört wird.
