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Die Erfindung betrifft eine Detektorvorrichtung mit einer Anzahl an Detektoren für zugeordnete Strahlenquellen eines Computertomographen und mit einer Hochspannungsquelle zur Spannungsversorgung der Anzahl an Detektoren.
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Die Detektoren für zugeordnete Strahlenquellen eines Computertomographen benötigen zum Zählen von auf die jeweilige Detektorfläche auftreffenden Lichtquanten eine Hochspannung im Bereich mehrerer 100 V. Hierzu ist jeder der Detektoren mittels eines Hochspannungskabels an die Hochspannungsquelle angeschlossen. Ein Computertomograph umfasst in der Regel eine Vielzahl an Detektoren, so dass der Verkabelungsaufwand in dem Computertomographen sehr hoch ist.
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Neuartige Detektoren, die auf Cadmium-Tellurid-Sensoren basieren, ändern im Gegensatz zu den bislang eingesetzten Detektoren ihren Widerstand in Abhängigkeit der auftreffenden Lichtquanten anstatt diese zu zählen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein Zwischenschritt zur Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal vorgenommen werden braucht, wodurch eine größere Genauigkeit bei der Bildaufnahme bzw. Bildverarbeitung erzielbar ist. Durch die Messung einer Widerstandsänderung ergibt sich das Problem, dass die den einzelnen Detektoren bereit gestellte Versorgungsspannung nahezu störungsfrei und sehr genau einstellbar sein muss. Dieses Erfordernis wird durch die für herkömmliche Detektoren verwendeten Hochspannungsquellen nicht erfüllt. Zudem sind die auf Cadmium-Tellurid basierenden Sensoren mit einer im Vergleich wesentlich höheren Spannung in einem Bereich zwischen 900 V und 1200 V als herkömmliche Detektoren zu versorgen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Detektorvorrichtung anzugeben, welche es erlaubt, eine zumindest störspannungsarme, genau einstellbare und lastunabhängige Versorgung einer Anzahl an Detektoren der Detektorvorrichtung sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Detektorvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird eine Detektorvorrichtung vorgeschlagen, die eine Anzahl an Detektoren für zugeordnete Strahlenquellen eines Computertomographen sowie eine Hochspannungsquelle zur Spannungsversorgung der Anzahl an Detektoren umfasst. Die Anzahl an Detektoren ist derart ausgebildet, dass jeder der Detektoren zu dessen Betrieb eine konstante Eingangsspannung in vorgegebener Höhe, insbesondere in einem Bereich zwischen 900 V und 1200 V, benötigt. Der Hochspannungsquelle wird im Betrieb der Detektorvorrichtung an ihren Eingangsklemmen eine Hilfsspannung zugeführt, wobei die Hochspannungsquelle einen zentralen ersten Gleichspannungswandler, dem die Hilfsspannung zugeführt wird, und eine Anzahl an dem ersten Gleichspannungswandler nachgeschalteten zweiten Gleichspannungswandlern umfasst. Der erste und der zweite Gleichspannungswandler basieren auf unterschiedlichen Stromversorgungstopologien, d.h. unterschiedlichen Wandlertypen. Jeweils ein zweiter Gleichspannungswandler versorgt einen Detektor mit der Eingangsspannung. Ein jeweiliger zweiter Gleichspannungswandler erzeugt die Eingangsspannung vorgegebener Höhe aus einer von dem ersten Gleichspannungswandler bereitgestellten, zentralen Ausgangsspannung.
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Die Hochspannungsquelle umfasst somit zwei in Reihe geschaltete, unterschiedliche Gleichspannungswandler, wodurch sich einerseits eine störspannungsarme und andererseits genau einstellbare Spannung zur Versorgung der Anzahl an Detektoren bereitstellen lässt. Insbesondere ist es möglich, eine Detektorvorrichtung bereitzustellen, bei der sehr hohe Ausgangsspannungen, insbesondere im Bereich von 900 V bis 1200 V, hochgenau für eine Anzahl an Detektoren bereitgestellt werden können.
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Dadurch, dass die Hochspannungsquelle einen zentralen ersten Gleichspannungswandler und eine der Anzahl an Detektoren entsprechende Anzahl an nachgeschalteten zweiten Gleichspannungswandlern umfasst, ist lediglich eine einzige Hochspannungsverbindung, beispielsweise in Gestalt eines Kabels, erforderlich, um den zentralen ersten Gleichspannungswandler zu versorgen. Die Verbindung zwischen dem zentralen ersten Gleichspannungswandler und der Anzahl an nachgeschalteten zweiten Gleichspannungswandlern kann dann auf einfachere Weise, z.B. unter Verwendung entsprechender Leiterzugstrukturen erfolgen. Dadurch kann die Hochspannungsquelle mit im Vergleich zu herkömmlichen Hochspannungsquellen wesentlich geringerem Volumen bereitgestellt werden.
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Der erste Gleichspannungswandler ist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung als Resonanzwandler ausgebildet, der die Hilfsspannung auf eine Ausgangsspannung anhebt, die höher ist als die Eingangsspannung vorgegebener Höhe der Anzahl an Detektoren. Insbesondere ist der erste Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, eine Amplitude eines Wechselspannungsanteils der Hilfsspannung auf ein im Vergleich kleineres Niveau zu reduzieren.
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Die Verwendung des zentralen ersten Gleichspannungswandlers ermöglicht es damit, die Zwischenkreisspannung, der ein Wechselspannungsanteil überlagert ist, welche die Detektoren bei der Bildaufnahme nachteilig beeinflusst, auf ein kleineres Niveau zu reduzieren. Dies wird insbesondere durch die bei Resonanzwandlern vorgesehenen Glättungskondensatoren bewirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Anzahl an zweiten Gleichspannungswandlern Linearregler, die die von dem ersten Gleichspannungswandler bereitgestellte, zentrale Ausgangsspannung auf die von der Anzahl an Detektoren benötigte Ausgangsspannung herabsenken. Die Anzahl an zweiten Gleichspannungswandlern ist dabei insbesondere dazu ausgebildet, die Amplitude des Wechselspannungsanteils der zentralen Ausgangsspannung des ersten Gleichspannungswandlers auszuregeln. Unter einem Ausregeln ist eine Elimination auf ein Niveau zu verstehen, was messtechnisch nicht oder nur mit extrem großen Aufwand zu erfassen ist. Dadurch kann der Anzahl an Detektoren eine Eingangsspannung bereitgestellt werden, welche nicht nur in ihrer Höhe extrem präzise einstellbar ist, sondern praktisch keinen Wechselspannungsanteil mehr aufweist. Hiervon können insbesondere solche Detektoren profitieren, welche auf dem Prinzip der Widerstandsmessung basieren. Allerdings lässt sich auch die Signalqualität solcher Detektoren verbessern, welche in bekannter Weise auf die Detektoren auftreffende Lichtquanten zählen.
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Die Hilfsspannung wird in zweckmäßiger Weise durch eine Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur gewonnen, die dazu ausgebildet ist, aus einer einphasigen Netzwechselspannung eine Hilfsspannung zu erzeugen. Die Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur ist auch als Power-Factor-Correction-Curcuit (PFC) bekannt. Solche Vorrichtungen arbeiten am einphasigen Wechselspannungsnetz (d.h. z.B. dem 230V-Netz), wobei die Ausgangsspannung der Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur eine Gleichspannung ist, die größer ist als der Spitzenwert der Wechselspannung. Zum Beispiel beträgt der Wert der Ausgangsspannung einer Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur 380 VDC und stellt die Hilfs- bzw. Zwischenkreisspannung dar. Aufgrund der niemals konstanten Momentanleistung der einphasigen Wechselspannung (d.h. der Eingangsspannung der Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur) ist der Hilfs- bzw. Zwischenkreisspannung ein Wechselspannungsanteil von 100 Hz (wenn die Frequenz der Netzwechselspannung 50 Hz beträgt, andernfalls ergeben sich abweichende Werte) mit einer Amplitude von ca. 10 bis 20 VAC überlagert. Dieser als Ripplespannung bezeichnete Wechselspannungsanteil beeinflusst die Sensoren bei der Bildaufnahme negativ. Durch die oben beschriebene Hochspannungsquelle lassen sich die Nachteile eliminieren.
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Die gleichphasige Hilfsspannung ist größer als ein Spitzenwert der Wechselspannung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur über ein Kabel mit der Hochspannungsquelle verbunden. Genauer ist die Vorrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur mit dem zentralen ersten Gleichspannungswandler der Hochspannungsquelle verbunden.
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Demgegenüber können die Anzahl an zweiten Gleichspannungswandlern und die Anzahl an Detektoren auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. Diese gemeinsame Leiterplatte wird als sog. Backplane bezeichnet. Ein jeweiliger zweiter Gleichspannungswandler und ein jeweiliger Detektor können als Module auf entsprechenden eigenen Leiterplatten angeordnet sein, wobei die Module dann mit der gemeinsamen Leiterplatte verbunden sind.
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Der erste Gleichspannungswandler kann optional auch auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können der erste Gleichspannungswandler und die Anzahl an zweiten Gleichspannungswandlern über eine auf der gemeinsamen Leiterplatte aufgebrachte Leiterzugstruktur miteinander verbunden sein. Durch diesen Aufbau ist es nicht notwendig, dass die Detektoren über ein jeweiliges Hochspannungskabel mit der benötigten Eingangsspannung versorgt werden, wodurch die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung insgesamt ein gegenüber herkömmlichen Detektorvorrichtungen geringeres Volumen beansprucht.
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Die Anzahl an Detektoren umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Cadmium-Tellurid-Sensoren, welche wie eingangs beschrieben, eine hochpräzise Eingangsspannung benötigen, um die auf die Detektoren auftreffenden Lichtquanten durch Widerstandsänderungen messbar zu machen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung für einen Computertomographen, wobei lediglich ein einziger Detektor dargestellt ist; und
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung für einen Computertomographen mit n einzelnen Detektoren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung 1. Der Einfachheit halber ist in 1 lediglich ein einzelner Detektor 2 dargestellt, der von einer Hochspannungsquelle 10 mit einer konstanten Eingangsspannung UDet vorgegebener Höhe versorgt wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Detektor um einen Cadmium-Tellurid-Sensor, der eine Eingangsspannung im Bereich zwischen 900 V und 1200 V benötigt. Damit beim Auftreffen von Röntgenquanten, die von einer dem Detektor 2 zugeordneten Strahlenquelle (nicht dargestellt) ausgesendet werden, eine Widerstandsänderung des Detektors sensierbar ist, ist es erforderlich, dass die dem Detektor 2 zur Verfügung gestellt Eingangsspannung UDet nahezu störspannungsfrei, extrem genau einstellbar und lastunabhängig ist. Dieses Erfordernis wird durch die nachfolgend näher beschriebene Hochspannungsquelle 10 erfüllt.
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Die Hochspannungsquelle 10 umfasst zur Versorgung des Detektors 2 einen ersten, zentralen Gleichspannungswandler 11 sowie einen zweiten, dem ersten Gleichspannungswandler 11 nachgeschalteten Gleichspannungswandler 12. Die Hochspannungsquelle 10 bzw. deren erster, zentraler Gleichspannungswandler 11 wird aus einer Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur (auch als Power-Factor-Correction-Circuit, PFC bekannt) versorgt. Die Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur ist ihrerseits mit einer Wechselspannungsquelle 4 verbunden.
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Die Wechselspannungsquelle 4 stellt eine einphasige Wechselspannung UNetz, z.B. mit einer Spannung von 220V bei 50 Hz, bereit, welche von der Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur in eine Gleichspannung UZK gewandelt wird. Die Zwischenkreisspannung UZK weist eine Höhe auf, die größer als der Spitzenwert der Netzwechselspannung in Höhe von 220 V ist. In der Regel beträgt der Wert der Zwischenkreisspannung UZK = 380 VDC = UZK,DC. Aufgrund der niemals konstanten Momentanleistung der einphasigen Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 4 ist der Zwischenkreisspannung UZK ein Wechselspannungsanteil UZK,AC von in diesem Bespiel 100 Hz mit einer Amplitude von ca. 10 bis 20 VAC überlagert. Die Zwischenkreisspannung UZK setzt sich somit aus der Summe von UZK,DC und UZK,AC zusammen. Die 100 Hz-Ripplespannung beeinflusst den Detektor 2 bei einer Bildaufnahme nachteilig.
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Der als Resonanzwandler ausgeführte erste Gleichspannungswandler 11, dem die mit dem 100 Hz-Ripple überlagerte Zwischenkreisspannung UZK zugeführt wird, setzt die Zwischenkreisspannung auf ein Niveau U1,OUT, wobei das Spannungsniveau von U1,OUT über der benötigten Eingangsspannung UDet des Detektors 2 liegt. Bekanntermaßen verfügt ein Resonanzwandler über einen internen Spannungsregler, der in Verbindung mit Glättungskondensatoren 100 Hz-Ripple auf ein sehr viel kleineres Niveau von ca. 1 bis 2 V reduziert. Dieser dem Gleichspannungsanteil U1,DC von U1,OUT überlagerte Wechselspannungsanteil ist mit U1,AC gekennzeichnet. Die Ausgangsspannung U1,OUT, die sich somit aus dem Gleichspannungsanteil U1,DC und dem Wechselspannungsanteil U1,AC zusammensetzt, wird dem zweiten, nachgeschalteten Gleichspannungswandler 12 zugeführt.
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Durch den ersten Gleichspannungswandler 11 wird somit die Eingangsgleichspannung UZK in Höhe von 380 V auf eine Ausgangsgleichspannung in einer Höhe zwischen 900 V und 1200 V angehoben. Die Ausgangsgleichspannung, welche auch als zentrale Ausgangsspannung U1,OUT bezeichnet wird, hängt von der tatsächlich benötigten Eingangsspannung UDet des Detektors 2 ab. Der als Resonanzwandler ausgeführte erste Gleichspannungswandler 11 hat die Eigenschaft, äußerst geringe Störungen in seiner Umgebung zu erzeugen.
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Der zweite Gleichspannungswandler 12 ist als Linearregler ausgeführt und setzt die Ausgangsspannung U1,OUT des Resonanzwandlers auf ein von dem Detektor 2 benötigtes Niveau der Eingangsspannung UDet herab. Dabei regelt der Linearregler die 100 Hz-Ripplespannung, d.h. den Wechselspannungsanteil U1,AC, nahezu vollständig aus. Die von dem zweiten Gleichspannungswandler 12 gelieferte Ausgangsspannung U2,OUT umfasst damit lediglich den Gleichspannungsanteil U2,DC, während der Wechselspannungsanteil U2,AC mit üblichen Mitteln nicht mehr messbar ist. Dieser ist daher mit einer durchbrochenen Linie dargestellt.
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Der zweite, nachgeschaltete Gleichspannungswandler 12 ist somit als Linearregler ausgebildet. Dieser setzt die von dem als Resonanzwandler ausgebildeten ersten Gleichspannungswandler 11 erzeugte Ausgangsspannung U1,OUT auf das von dem Detektor 2 benötigtes Spannungsniveau U2,OUT = UDet herab. Durch ihren nichttaktenden Betrieb erzeugt ein Linearregler keinerlei Störung in seiner Umgebung und an dem zu versorgenden Detektor.
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Während anhand von 1 lediglich das grundlegende Prinzip der Hochspannungsquelle verdeutlicht ist, zeigt 2 eine Detektorvorrichtung mit einer Anzahl n an Detektoren 2-1, ..., 2-n. Jedem der Detektoren 2-1, ..., 2-n ist ein zweiter Gleichspannungswandler 12-1, ..., 12-n zugeordnet. Die zweiten Gleichspannungswandler 12-1, ..., 12-n sind jeweils mit Ausgangsanschlüssen des ersten, zentralen Gleichspannungswandlers 11 verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen den ersten, zentralen Gleichspannungswandler 11 und den n zweiten Gleichspannungswandlern 12-1, ..., 12-n ist z.B. über eine Leiterzugstruktur realisiert. Die Leiterzugstruktur 14 kann als Busstruktur ausgebildet sein.
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Dabei können sich die Leiterzugstruktur 14, der erste Gleichspannungswandler 11, die zweiten Gleichspannungswandler 12-1, ..., 12-n und die n-Detektoren 2-1, ..., 2-n auf einer gemeinsamen Leiterplatte 13, einer sog. Backplane, befinden. Die Detektoren 2-1, ..., 2-n und die zweiten Gleichspannungswandler 12-1, ..., 12-n können auf jeweiligen Modulleiterplatten ausgebildet sein, wobei dann die jeweiligen Modulleiterplatten mit der gemeinsamen Leiterplatte 13 elektrisch und mechanisch verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem ersten Gleichspannungswandler 11 und der Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur kann über ein einziges Hochspannungskabel 5 erfolgen.
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Als Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur kann eine aus dem Stand der Technik bekannte, beliebige PFC-Schaltung verwendet werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der technischen Dokumentation [1], abrufbar unter www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28180.pdf, bekannt.
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Der als Resonanzwandler ausgebildeter erste Gleichspannungswandler 11 kann beispielsweise wie in der technischen Dokumentation [2], abrufbar unter www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf gezeigt ausgebildet sein. Grundsätzlich sind auch andere Typen von Resonanzwandlern denkbar, sofern diese dazu geeignet sind, die Zwischenkreisspannung UZK über die Eingangsspannung vorgegebener Höhe der Anzahl an Detektoren 12-1, ..., 12-n zu erhöhen.
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Als Linearregler der Gleichspannungswandler 12-1, ..., 12-n kann beispielsweise eine wie in der technischen Dokumentation [3], abrufbar unter www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7824.pdf, gezeigte Schaltungsanordnung verwendet werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Detektorvorrichtung können mehrere Detektoren 2-1, ..., 2-n von einem zentralen Gleichspannungswandler 11 mit einer hohen Spannung versorgt und die Spannung individuell mittels der zweiten Gleichspannungswandler 12 an die erforderliche Eingangsspannung vorgegebener Höhe der Detektoren 2-1, ..., 2-n angepasst werden. Sehr hohe Ausgangsspannungen im Bereich von 1kV können hochgenau auf eine Anzahl an Detektoren verteilt werden. Da nur ein einzelner, zentraler Gleichspannungswandler 11 die Hochspannung in kV-Bereich erzeugt, ist lediglich ein einziges Hochspannungskabel erforderlich, welches den ersten Gleichspannungswandler 11 mit der Vorrichtung 3 zur Leistungsfaktorkorrektur verbindet. Die Verbindung zwischen den zweiten Gleichspannungswandlern 12-1, ..., 12-n und dem ersten Gleichspannungswandler 11 kann unter Vermeidung von Kabeln über eine Leiterzugstruktur erfolgen.
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Die Detektorvorrichtung weist einen geringen Platzbedarf und einen einfachen strukturellen Aufbau auf. Insbesondere lassen sich die Detektoren und die zweiten Gleichspannungswandler in Gestalt von Modulen bereitstellen, welche zusammen mit der ersten Gleichspannungsquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte, der sog. Backplane, angeordnet werden können.
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Referenzen
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- [1] Texas Instruments, UCC28180 Programmable Frequency, Continuous Conduction Mode (CCM), Boost Power Factor Correction (PFC) Controller, Dezember 2014, abrufbar unter www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28180.pdf
- [2] Texas Instruments, 8-Pin High-Performance Resonant Mode Controller, Juli 2011 abrufbar unter www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf
- [3] Fairchild Semiconductor Corporation, LM78XX / LM78XXA 3-Terminal 1 A Positive Voltage Regulator, September 2014 abrufbar unter www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7824.pdf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28180.pdf [0032]
- www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf [0033]
- www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7824.pdf [0034]
