DE102017203830A1

DE102017203830A1 - Verfahren zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen in einer Röntgenvorrichtung sowie Röntgenvorrichtung

Info

Publication number: DE102017203830A1
Application number: DE102017203830.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard GEBERT
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-09-13
Also published as: CN108572304B; US20180263100A1; US10912181B2; CN108572304A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen in einer Röntgenvorrichtung (2), welche einen Röntgenstrahler (6) und eine Hochspannungsversorgung (4) aufweist, angegeben. Der Röntgenstrahler weist eine von einem Isoliermedium (8) umgebene Röntgenröhre (10) und die Hochspannungsversorgung (4) einen Hochspannungsgenerator (7), vorzugsweise einen Hochfrequenzgenerator, sowie ein Kabel (14) auf, wobei das Kabel (14) zumindest Teil einer Verbindungsstrecke (VS) zwischen dem Hochspannungsgenerator (7) und der Röntgenröhre (10) ist. Während eines normalen Betriebes der Röntgenvorrichtung (2) wird ein durch den Hochspannungsüberschlag in der Verbindungsstrecke (VS) auftretender Störimpuls (I) mit Hilfe eine Messeinrichtung (18), welche ein Messelement (20) aufweist, erfasst und ausgewertet, derart, dass anhand des ausgewerteten Störimpulses (I) eine Beurteilung über den Zustand des Röntgenstrahlers (6) und anderer hochspannungsführenden Bauteile sowie die daran anschließenden Maßnahmen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen in einer Röntgenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Röntgenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Die Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgt in einer Röntgenröhre. Eine angelegte Hochspannung beschleunigt Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Nach der Beschleunigung werden diese auf vorzugsweise 30% bis 70% ihrer Geschwindigkeit abgebremst. Dabei wird Röntgenstrahlung erzeugt. Die Röntgenröhre weist eine Kathode als Elektronenquelle sowie eine Anode auf. Ergänzend weist die Röntgenröhre ein Vakuum auf, in dem die Kathode und die Anode angeordnet sind. Das Vakuum dient der Hochspannungsisolation. Die Röntgenröhre ist innerhalb eines Röntgenstrahlers angeordnet und häufig von einem Isoliermedium, beispielsweise ein Isolieröl oder ein Feststoffisolator umgeben. Der Röntgenstrahler ist weiterhin von einem Strahlergehäuse umgeben. Ein detaillierter Aufbau einer Röntgenröhre sowie eines Röntgenstrahlers sind „Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik“, Herausgeber: Heinz Morneburg, 3. Auflage, 1995, Publicis MCD Verlag, S.230 ff zu entnehmen.
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bedarf es zum einen einer Stromstärke im Bereich zwischen vorzugsweise einigen Milliampere bis zu etwa 6A und zum anderen einer Spannung von einigen hundert Kilovolt. Dabei wird die Strahlenqualität, auch Strahlenhärte genannt, durch die Höhe der angelegten Spannung und die Strahlenintensität durch die Höhe des gewählten Stromes bestimmt.
Zur Erzeugung der Hochspannung ist ein Hochspannungserzeuger vorgesehen, welcher typischerweise einen Hochfrequenzgenerator aufweist. Der Hochspannungsgenerator und der Röntgenstrahler sind häufig über zumindest ein Kabel, insbesondere bei einer einpoligen Ausgestaltung, oder auch mehrere, z.B. zwei Kabel, insbesondere bei einer zweipoligen Ausgestaltung, elektrisch verbunden. Das zumindest eine Kabel ist typischerweise ein Koaxialkabel. Bei der einpoligen Ausgestaltung ist die Hochspannung beziehungsweise eine Hin- und Rückleitung eines Röntgenröhrenstromes durch das eine Koaxialkabel geführt. Die zweipolige Ausgestaltung der Röntgenvorrichtung weist je ein Kabel als Hin- und Rückleiter des Röntgenröhrenstromes auf. Hierdurch ist folglich die Strombelastung pro Kabel halbiert, allerdings geht mit dieser Ausgestaltung häufig auch ein erhöhter Platzbedarf im Vergleich zur einpoligen Ausgestaltung einher.
Ein Koaxialkabel zur elektrischen Verbindung des Hochspannungserzeugers und des Röntgenstrahlers ist in der DE42 43 360 C2 beschrieben. Bei dem bekannten Koaxialkabel erfolgt eine Zuführung des Röntgenröhrenstromes über einen Innenleiter des Koaxialkabels. Die Rückführung des Röntgenröhrenstromes zum Hochspannungsgenerator erfolgt über einen Außenleiter des Koaxialkabels, einen Innenleiter eines zweiten Koaxialkabels oder über eine Gehäuseverbindung. Unter Gehäuseverbindung wird hierbei beispielsweise eine gemeinsame Masseverbindung des Gehäuses des Hochspannungserzeugers und des Gehäuses des Röntgenstrahlers verstanden.
Die angelegte Hochspannung führt im Betrieb oftmals zu unbeabsichtigten Hochspannungsüberschlägen innerhalb der Röntgenvorrichtung. Die Hochspannungsüberschläge können dabei an unterschiedlichen Orten mit unterschiedlicher Wirkung auftreten.
Hochspannungsüberschläge innerhalb des Vakuums der Röntgenröhre sind weitestgehend selbstheilend; wogegen Hochspannungsüberschläge in das Isoliermedium zu einer irreversiblen Veränderung desselbigen und dadurch zum Verlust der angestrebten Isolierwirkung führen können. Weiterhin führen Hochspannungsüberschläge in das Strahlergehäuse bis hin zu einer Zerstörung des Röntgenstrahlers.
In einem Röntgenstrahler können zur Erfassung von defekten Bauteilen aufgrund von Hochspannungsüberschlägen beispielsweise sogenannte Blindstecker oder Blindbuchsen verwendet werden. Dabei wird der Röntgenstrahler von der Röntgenvorrichtung getrennt und durch eine Blindbuchse ersetzt. Tritt bei erneutem Betrieb kein weiterer Hochspannungsüberschlag auf, so ist davon auszugehen, dass der Überschlag durch einen defekten Röntgenstrahler verursacht wurde. Der Einsatz von Blindbuchsen beziehungsweise Blindsteckern ist kostenintensiv und hat einen Stillstand der Röntgenvorrichtung zur Folge.
Üblicherweise weist der Hochspannungsgenerator eine integrierte Elektronik auf, welche zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen ausgebildet ist. Sie dient typischerweise zum Schutz des Hochspannungserzeugers und des Röntgenstrahlers, beispielsweise mittels eines Kurzschluss-Schützes. Alternativ oder ergänzend erfolgt eine Erfassung einer Ausgangsspannung am Hochspannungserzeuger. Die Erfassung erfolgt typischerweise mit Hilfe eines Spannungsteilers, welcher häufig ein Teilerverhältnis von mehreren kV zu einigen V, beispielsweise von 100kV zu 5V aufweist. Durch eine Positionierung dieser Elektronik am Hochspannungsgenerator und einer - dem Spannungsteiler geschuldeten - beispielsweise um den Faktor 100 - zu langsamen Messtechnik, ist diese Elektronik allein für eine Erfassung von Hochspannungsüberschlägen im Röntgenstrahler unzureichend.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Hochspannungsüberschläge erfasst werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen in einer Röntgenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Röntgenvorrichtung weist einen Röntgenstrahler und eine Hochspannungsversorgung auf. Der Röntgenstrahler weist eine Röntgenröhre und die Hochspanungsversorgung einen Hochspannungsgenerator sowie ein Kabel auf. Das Kabel ist vorzugsweise ein Koaxialkabel und bildet zumindest einen Teil einer Verbindungsstrecke zwischen dem Hochspannungsgenerator und der Röntgenröhre. Unter Verbindungsstrecke wird dabei eine elektrische Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang des Hochspannungsgenerators und dem Eingang der Röntgenröhre verstanden. Unter Hochspannungsgenerator wird hierbei insbesondere ein Hochfrequenzgenerator beispielsweise nach „Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik“, Herausgeber: Heinz Morneburg, 3. Auflage, 1995, Publicis MCD Verlag, S.277 ff verstanden, welcher eine integrierte Elektronik zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen an einem Ausgang oder innerhalb des Hochspannungsgenerators aufweist.
Bei Hochspannungsüberschlägen innerhalb des Röntgenstrahlers treten häufig Störimpulse auf. Störimpulse sind beispielsweise aufgrund von parasitären Eigenschaften fließende Überschlagströme, welche insbesondere in Form von Gleichtaktströmen auftreten. Die Störimpulse fließen typischerweise über mehrere Strompfade, beispielsweise ein Gehäuse des Röntgenstrahlers, ein Stromverlauf in das Isoliermedium oder die Verbindungsstrecke. Als Gleichtaktströme werden Ströme bezeichnet, die an verschiedenen Eingängen, hier die verschiedenen Strompfade, gleichzeitig und mit gleicher Phase anliegen. Zum Beispiel weist ein über die Verbindungsstrecke fließender Störimpuls die gleiche Phase auf, wie der Gesamtstrom am Lichtbogen des Hochspannungsüberschlages. Somit sind die Störimpulse mit den Hochspannungsüberschlägen korreliert.
Die Erfassung von Hochspannungsüberschlägen beruht darauf, dass der Störimpuls erfasst und ausgewertet wird. Der Störimpuls tritt aufgrund des Hochspannungsüberschlages unter anderem in der Verbindungsstrecke auf. Dieser in der Verbindungsstrecke auftretende Störimpuls wird während eines normalen Betriebes der Röntgenvorrichtung erfasst und anschließend ausgewertet. Anhand des ausgewerteten Störimpulses wird bevorzugt eine Beurteilung über den Zustand des Röntgenstrahlers vorgenommen.
Dieser Auswertung liegt der Vorteil zugrunde, dass eine physikalische Größe erfasst wird die unmittelbar mit dem Hochspannungsüberschlag korreliert ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen den Störimpuls lokal an der Verbindungsstrecke zu erfassen. Unter lokal wird hierbei eine Messposition entlang der Verbindungsstrecke verstanden.
Vorzugsweise wird der Störimpuls entlang des Kabels erfasst. Der Erfassung entlang des Kabels liegt die Überlegung zugrunde, dass ein nicht zu vernachlässigbarer Teil des Hochspannungsüberschlages über das Kabel zwischen dem Hochspannungserzeuger und dem Röntgenstrahler abfließt. Zudem ist eine Erfassung an einer lokalen Messposition entlang des Kabels dahingehend vorteilhaft, dass ein einfacher Zugang zu dem Kabel und somit ein einfacher und kostengünstiger Messaufwand gewährleistet ist. Aufgrund der Erfassung des Störimpulses an einer funktionsfähig installierten Röntgenvorrichtung ist diese Ausgestaltung insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass die Erfassung des Störimpulses im Normalbetrieb der Röntgenvorrichtung erfolgt. Alternativ wird der Störimpuls innerhalb des Röntgenstrahlers erfasst.
In ergänzender Weiterbildung weist eine zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen ausgebildete Messeinrichtung ein Messelement zur Erfassung der Störimpulse auf. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Messelement zur Erfassung eines elektrischen Stromes oder zur Erfassung einer physikalischen Größe, aus der ein elektrischer Strom abgeleitet wird. Ein aus einem Hochspannungsüberschlag resultierender Stromverlauf ist für gewöhnlich nach einer zurückgelegten Strecke beispielsweise von in etwa einem Meter im Kabel nicht mehr unverfälscht zu erfassen. Grund hierfür ist die Dämpfung des Kabels. Aufgrund dieser Dämpfung ist über, in Strahlerrichtung gesehene, die letzte Hälfte, insbesondere das letzte Viertel des Kabels ein Nahbereich des Röntgenstrahlers definiert. Beispielsweise ist der Nahbereich durch die letzten 30cm, insbesondere die letzten 10cm des Kabels definiert, bevor sich an das Kabel der Röntgenstrahler anschließt. Bevorzugt erfolgt die Erfassung des Störimpulses in dem Nahbereich. Das hat den Vorteil, dass der Störimpuls nahezu dämpfungsfrei erfasst wird.
Hochspannungsüberschläge durch das Isoliermedium verlaufen typischerweise in einem Zeitintervall mit Werten von beispielsweise einigen Mikrosekunden ab. Hochspannungsüberschläge im Vakuum weisen jedoch häufig Transienten auf, welche beispielsweise einem Wert im Beriech von 1kV bis 30kV pro Nanosekunde entsprechen. Die Dauer von Hochspannungsüberschlägen, welche beispielsweise in das Isoliermedium überschlagen kann mitunter einige Mikrosekunden, beispielsweise Zeiten mit einem Wert im Bereich von 5µs bis 10µs aufweisen. Aufgrund dessen ist eine für die Erfassung des Störimpulses „schnelle“ Messtechnik erforderlich, welche Signale mit einer Signaldauer mit Werten im Bereich von vorzugsweise 2ns bis 10µs und insbesondere mit Werten im Bereich von 10ns bis 100ns erfasst.
Zweckdienlicherweise wird aufgrund der Auswertung des erfassten Störimpulses auf unterschiedliche Überschlagklassen geschlossen. Unter Überschlagklassen werden hierbei Arten des Überschlags beziehungsweise die Stelle, in die der Überschlag einschlägt, verstanden. Beispielsweise werden die Hochspannungsüberschläge in

- Überschläge in das Vakuum der Röntgenröhre,
- Überschläge in einen Feststoff des Röntgenstrahlers und
- Teilentladungen bei teilweise defekten Isolationstrecken innerhalb des Isoliermediums

Überschläge in das Vakuum der Röntgenröhre sind weitestgehend selbstheilend, d.h. sie stellen keine konkrete Gefahr für die Röntgenröhre oder den Röntgenstrahler dar. Sie werden durch ein fehlerhaftes Vakuum herbeigeführt und sind nicht zu vermeiden, da bei der Fertigung Restluft in der Röntgenröhre verbleibt.
Überschläge in einen Feststoff des Röntgenstrahlers, beispielsweise in eine Vergussmasse oder das Isoliermedium des Röntgenstrahlers sowie in ein Kabel oder in ein Isoliermedium des Hochspannungserzeugers haben meist einen Defekt des Strahlers zur Folge. Zum einen verändert ein Hochspannungsüberschlag die chemische Zusammensetzung des Isolieröls und setzt somit die Isolierwirkung herab oder gar ganz außer Kraft. Zum anderen führt die hohe wenn auch kurze thermische Belastung eines Hochspannungsüberschlags zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Gehäuses einer betroffenen Komponente oder eines betroffenen Bauteils und somit unter Umständen zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Komponente oder des Bauteils an sich.
Eine Besonderheit stellen dabei Teilentladungen dar. Die Teilentladungen entstehen durch geringfügige Unterschiede in der Durchschlagsfestigkeit eines Stoffes. Erfolgen beispielsweise kleine, energiearme Teilentladungen am Gehäuse des Röntgenstrahlers, so weist die Durchschlagsfestigkeit an diesen Teilentladungsstellen einen geringen Wert auf, als an anderen Stellen des Gehäuses. Alternativ sind Teilentladungen als sogenannte Vorentladungen vor dem eigentlichen Hochspannungsüberschlag zu interpretieren. Hierbei reicht entweder die angelegte Spannung noch nicht aus, damit ein Durchschlag erfolgt, oder die Durchschlagsfestigkeit gerade noch aus, um einen Hochspannungsüberschlag zu verhindern. Beide Eigenschaften von Teilentladungen lassen sich zur Früherkennung von Hochspannungsüberschlägen und somit eines Schadennehmens des Röntgenstrahlers nutzen.
Um eine Unterscheidung der für das Verfahren relevanten Überschlagarten zu ermöglichen, wird der jeweils unterschiedliche Verlauf der Überschlagspannung und des damit verbundenen Überschlagstromes genutzt. Durch einen Vergleich des erfassten Verlaufes des Störimpulses mit beispielsweise in einer Datenbank hinterlegten Referenzverläufen, wird auf eine bestimmte Überschlagklasse zurückgeschlossen.
Der Vorteil der Kategorisierung der auftretenden Hochspannungsüberschläge und der damit verbundenen Beurteilung des Strahlerzustandes liegt in der, wenn erforderlich, rechtzeitigen Ersatzteilbeschaffung. Insbesondere ist durch die Erfassung von Teilentladungen eine Früherkennung von auftretenden Schäden am Röntgenstrahler gewährleistet, wodurch zum einen die Bestimmung des Ortes des fehlerhaften Bauteils eingegrenzt und zum anderen auf die Qualität des Fehlers rückgeschlossen werden kann. Anhand dessen kann eine frühzeitige Entscheidung hinsichtlich der Folgemaßnahmen getroffen werden, beispielsweise ob das defekte Bauteil ausgetauscht oder repariert werden kann. Somit werden ein Anlagenstillstand und auftretende Kosten reduziert.
In bevorzugter Weiterbildung erfolgt die Auswertung des Störimpulses mit Hilfe einer Ferndiagnose. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass die Auswertung der erfassten Messgröße ortsunabhängig ist. Speziell wird die Diagnose durch den Gerätehersteller beispielsweise über einen Remote-Zugriff vorgenommen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Röntgenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Die Röntgenvorrichtung weist einen Röntgenstrahler und eine Hochspannungsversorgung auf. Weiterhin weist der Röntgenstrahler eine Röntgenröhre und die Hochspannungsversorgung einen Hochspannungsgenerator sowie ein Kabel auf. Das Kabel ist dabei zumindest Teil einer Verbindungsstrecke zwischen dem Hochspannungsgenerator und der Röntgenröhre. Dabei wir unter der Verbindungsstrecke eine Leitungsverbindung zwischen dem Ausgang des Hochspannungsgenerators und dem Eingang der Röntgenröhre verstanden. Somit schießt die Verbindungsstrecke sowohl eine erste Teilleitung zwischen dem Ausgang des Hochspannungsgenerators und dem Anfang des Kabels als auch eine zweite Teilleitung zwischen dem Eingang des Röntgenstrahlers und dem Eingang der Röntgenröhre ein.
Die im Hinblick auf das Verfahren aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf die Messanordnung zu übertragen und umgekehrt. Bevorzugte Weiterbildungen der Röntgenvorrichtung sind zudem in den Unteransprüchen enthalten.
Die Röntgenvorrichtung weist ebenfalls eine Messeinrichtung auf, welche zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen im Betrieb ausgebildet ist. Dazu weist die Messeinrichtung ein Messelement auf. In zweckdienlicher Ausgestaltung erfasst die Messeinrichtung den Störimpuls entlang des Kabels. Das Messelement ist dazu an einer Messposition lokal entlang des Kabels positioniert.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der einfachen Erfassung des Störimpulses. Durch diese Positionierung des Messelementes sind zusätzlich zum einen ein geringer Montageaufwand und zum anderen geringe Montagekosten gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil hiervon ist die Nachrüstbarkeit der Messeinrichtung für bereits installierte und sich in Betrieb befindliche Röntgenvorrichtungen.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist das Messelement in einem Nahbereich des Röntgenstrahlers angeordnet.
Alternativ ist das Messelement zur Erfassung der Messgröße entlang der zweiten Teilstrecke positioniert, beispielsweise durch eine Montage des Messelementes innerhalb des Röntgenstrahlers.
Vorzugsweise weist das Messelement eine Spule auf. Aufgrund der einfachen Bauweise und der hohen Strombelastbarkeit sind Spulen besonders geeignet, um in Kabeln oder Leitern fließende Ströme zu erfassen.
In einer alternativen Ausgestaltung weist das Messelement einen „Shunt“ oder einen Stromwandler auf.
Der Vorteil dieser bevorzugten Ausgestaltung des Messelementes ist die einfache und kostengünstige Fertigung und insbesondere die Erfassung von steilen Stromanstiegen.
In ergänzender Weiterbildung ist die Spule als Rogowski-Spule ausgebildet, beziehungsweise erfolgt die Erfassung der Messgröße nach dem Rogowski-Prinzip.
Eine Rogowski-Spule ist eine toroidförmige Luftspule, welche bevorzugt als offene Kreisspule realisiert ist und gleichmäßig um einen vorzugsweise nicht leitenden und nicht ferromagnetischen Werkstoff gewickelt ist. Das Rogowski-Prinzip nutzt die durch in einem Leiter fließenden Wechselströme in konzentrisch angeordneten kreisförmigen Spulen induzierte Wechselspannung aus, um auf den durch den Leiter fließenden Strom zu schließen. Der durch den Leiter fließende Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld, welches in der Spule eine Wechselspannung induziert. Über die Gleichung (1) $u = M \cdot i' (t)$
kann anschließend durch Integration der Spannung über das gewünschte Zeitintervall (in dem der Wechselstrom floss) auf eine zu dem Leiterstrom proportionale Größe geschlossen werden. Wobei u= induzierte Spannung, M=Gegeninduktivität der Spule und i'(t)= Stromänderung während des Zeitintervalls ist.
Das Integral wird beispielsweise durch einen Integrator gebildet. Ausgehend hiervon weist die Messeinrichtung weitere Elemente auf, darunter auch einen Integrator.
Der Einsatz einer Spule, speziell einer Rogowski-Spule, hat zum einen den Vorteil eines robusteren Aufbaus im Vergleich zu anderen Strommessverfahren, zum anderen die einfache und kostengünstige Montage.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist die Rogowski-Spule bevorzugt einen differenziellen Aufbau auf. Hierbei sind zwei identische aber gegenläufige Spulen ineinander verschachtelt. Aufgrund der „Rechten-Faust“-Regel („Ampère’s right hand screw rule“) heben sich die elektromagnetischen Felder im Innern der Spule auf und verbessern somit die Störimmunität der Spule gegenüber äußeren Störfeldern. Die Spule erfasst durch den differentiellen Aufbau lediglich Veränderungen des Stromes.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass die Spule als Messelement optimiert und störresistenter als ein nicht differentieller Aufbau ist wodurch eine genaue Erfassung der Messgröße erfolgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in stark vereinfachten Darstellungen:

1 Ein prinzipieller Aufbau einer Röntgenvorrichtung,
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Messeinrichtung sowie
3 einen skizzierten Verlauf eines Hochspannungsüberschlages über der Zeit.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Röntgenvorrichtung 2 dargestellt. Die Röntgenvorrichtung 2 weist eine Hochspannungsversorgung 4 und einen Röntgenstrahler 6 auf. Typischerweise weist die Hochspannungsversorgung 4 einen Hochspannungsgenerator 7 auf, welcher bevorzugt als Hochfrequenzgenerator ausgebildet ist. Der Hochspannungsgenerator weist einen Wechselrichter 7a, vorzugsweise einen Schwingkreiswechselrichter zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung mit Werten im Bereich von vorzugsweise einigen kHz auf. An den Wechselrichter 7a schließt sich ein Hochspannungstransformator 7b an, welcher die ihm zugeführte hochfrequente Wechselspannung gleichrichtet. Ein an einem Spannungsausgang des Hochspannungsgenerators angeordnetes Spannungsmessgerät 7c misst die gleichgerichtete Wechselspannung, im Folgenden auch als Ausgangsspannung bezeichnet, und dient somit als ein Überspannungsschutz.
Der Röntgenstrahler 6 weist zum einen eine von einem Isoliermedium 8, vorzugsweise ein Isolieröl umgebende Röntgenröhre 10 und zum anderen ein Strahlergehäuse 12 auf. Bei einer einpoligen Ausgestaltung der Röntgenröhre ist häufig eine Isolierung mittels einer Vergussmasse realisiert. Hierbei ist ein Hinleiter der Röntgenröhre 10 von einem Eingang des Röntgenstrahlers 6 bis zu einem Eingang der Röntgenröhre 10 in die Vergussmasse eingebracht. Bei dieser Ausgestaltung kann auf ein Isolieröl verzichtet werden. Beispielsweise weisen derartige Röntgenstrahler 6 Wasser als Isoliermedium 8 auf, von dem die Röntgenröhre 10 umgeben ist.
Der Hochspannungsgenerator 8 und die Röntgenröhre 10 sind über eine Verbindungsstrecke VS elektrisch miteinander verbunden.
Die Verbindungsstrecke VS unterteilt sich in eine erste Teilleitung T1, ein Kabel 14 und eine zweite Teilleitung T2. Während die erste Teilleitung T1 den Ausgang des Hochspannungsgenerators 8 mit dem Anfang des Kabels 14 elektrisch verbindet, verbindet die zweite Teilleitung T2 das Ende des Kabels 14 mit dem Eingang der Röntgenröhre 10. Das Kabel 14 verbindet über Steckverbindungen 16a, 16b die Hochspannungsversorgung 4 und den Röntgenstrahler 6 elektrisch miteinander und dient somit der Strom- und Spannungsversorgung des Röntgenstrahlers 6. Vorzugsweise ist das Kabel 14 ein Koaxialkabel, bei dem der Röntgenröhrenstrom I_R über einen Innenleiter zur Röntgenröhre 10 und über einen geerdeten Außenleiter zurück zum Hochspannungsgenerator 7 fließt. Das Kabel 14 ist zudem der einzige Teil der Verbindungsstrecke VS, der vorzugsweise von außen zugänglich verlegt ist.
Ergänzend weist die Röntgenvorrichtung 2 eine Messeinrichtung 18 auf. Die Messeinrichtung 18 weist ein Messelement 20 zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen auf.
Hochspannungsüberschläge treten häufig während des Betriebes der Röntgenvorrichtung 2 auf und verursachen Überschlagströme oder auch Störimpulse I genannt, welche sich über vorzugsweise mehrere Strompfade ausbreiten. Solche Strompfade sind beispielsweise das Strahlergehäuse 12, das Isolieröl 8 oder die Verbindungsstrecke VS.
Um die Störimpulse I zu erfassen, ist das Messelement 20 an einer Messposition 21 entlang der Verbindungsstrecke VS angeordnet. Bevorzugt ist das Messelement 20 in einem Nahbereich N entlang des Kabels 14 positioniert. Der Nahbereich N definiert das letzte Drittel bis letzte Viertel des Kabels, vorzugsweise die letzten 30cm des Kabels und insbesondere die letzten 10cm des Kabels vor der Steckverbindung 16b, welche das Kabel 14 mit dem Röntgenstrahler 6 verbindet. Dieser Positionierung liegt die Überlegung zugrunde, dass aufgrund der ausgeprägten Dämpfung des Kabels 14 eine weiter entfernte Erfassungsstelle fehlerbehaftet ist, da der Störimpuls I entweder stark gedämpft oder nicht mehr erfasst wird. Alternativ ist das Messelement 20 entlang der zweiten Teilleitung T2 positioniert, beispielsweise durch einen Einbau des Messelementes 20 in den Röntgenstrahler 6 bei dessen Fertigung. Ein besonderer Vorteil ist die Erfassung des Störimpulses I während des Betriebes der Röntgenvorrichtung 2.
Die Messeinrichtung 18 und das Messelement 20 weisen eine Verbindung auf, sodass ein Signal- beziehungsweise Datenaustausch untereinander erfolgt. Vorzugsweise ist die Verbindung über eine Datenleitung, insbesondere über eine Remote-Verbindung realisiert. Durch die Remote-Verbindung erfolgt eine ortsunabhängige Auswertung der von dem Messelement 20 erfassten Störimpulse I. Die Auswertung erfolgt beispielsweise in Form einer Ferndiagnose durch den Gerätehersteller.
Da es sich bei dem zu erfassenden Störimpuls I um eine mit dem Hochspannungsüberschlag korrelierte Größe und insbesondere um einen Überschlagsstrom handelt, weist das Messelement 20 bevorzugt eine Spule 22 auf. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion eigenen sich Spulen besonders zur Erfassung von elektrischen Strömen, insbesondere von steilen Stromtransienten. Eine grob vereinfachte Darstellung eines Blockschaltbildes der Messeinrichtung 18 und eines derartigen Messelements 20 ist in 2 dargestellt.
Die Messeinrichtung weist zusätzlich einen Differenzverstärker 24 und einen Integrator 26 auf. Die Spule 22 ist insbesondere als Rogowski-Spule ausgebildet. Die Rogowski-Spule ist eine vollständig um einen ringförmigen, nichtleitenden und nicht ferromagnetischen Festkörper gewickelte Spule, auch Luftspule genannt. Gemäß einer Zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Rogowski-Spule einen offenen Kreisbogen auf, der durch eine magnetisch neutrale Rückführung eines zweiten Spulenanschlusses zum anderen Ende realisiert ist. Das bedeutet, dass beide Anschlüsse der Rogowski-Spule an einer Seite der Spule angeordnet sind. Die Spule 22 weist dadurch eine Geometrie eines Rundhakens auf.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung Ausgestaltung ist, dass das Kabel 14 aufwandsarm durch die Kreisöffnung in das Innere der Spule 22 geführt wird und somit der im Kabel 14 auftretende Störimpuls I erfasst ist. Weiterhin ist eine aufwandsarme und kostengünstige Nachrüstung der Messeinrichtung 20 in eine bereits installierte Röntgenvorrichtung 2 gewährleistet.
Die Spule 22 weist bevorzugt einen differentiellen Aufbau auf. Der differentielle Aufbau führt zu einer erhöhten elektrischen Störresistenz der Spule 22 im Vergleich zu einem einfachen Aufbau. Bei einem differentiellen Aufbau einer Spule sind vorzugsweise eine erste Teilspule 23a und eine gegenläufige zweite Teilspule 23b ineinander verschachtelt, sodass sich die elektromagnetischen Felder im Inneren der Spule gegenseitig aufheben. Grund hierfür ist der gegenläufige Feldverlauf der jeweils von den beiden Spulen erzeugten elektromagnetischen Felder. Somit ist das Innere der Spule 22 quasi feldfrei und die Spule erfasst lediglich Änderungen des Feldes, wie sie beispielsweise bei einem auftretenden Stromimpuls I innerhalb der zu messenden Leitung entstehen.
Die Anordnung der beiden Spulen 23a,23b erfolgt beispielsweise auf einer Leiterplatine. Die Spulen 23a,23b weisen jeweils einen Hinleiter 25a,25b und jeweils einen Rückleiter 25c,25d auf. Sowohl die Hinleiter 25a,25b als auch die Rückleiter 25c,25d sind jeweils ineinander verflochten angeordnet. Mit anderen Worten: Die beiden Hinleiter 25a,25b sind ineinander verdrillt und die beiden Rückleiter 25c,25d sind ineinander verdrillt angeordnet sowie gemeinsam geschirmt ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht zum einen eine Anordnung der Hinleiter 25a,25b und der Rückleiter 25c,25d auf derselben Leiterplatine und zum anderen weisen die Hinleiter 25a,25b und die Rückleiter 25c,25d eine Abschirmung gegenüber der in ihrem Umfeld auftretenden kapazitiven Belastungen, beispielsweise durch einen Anodenmotor oder eine Anodenheizung der Röntgenvorrichtung auf.
Der plötzlich auftretende Störimpuls I im Kabel 14 führt zu einem Anstieg des elektromagnetischen Feldes, dem die Spule 22 während der Impulsdauer ausgesetzt ist. Das elektromagnetische Feld induziert eine Spannung in die beiden Teilspulen 23a,b. Der Differenzverstärker 24 subtrahiert die beiden Ausgangssignale der Teilspulen 23a,b. Daraus ergibt sich die induzierte Spannung U als Differenz der beiden Ausgangssignale. Dabei gilt, je größer der Störimpuls I, umso höher die Feldänderung und somit die Differenz der Ausgangssignale, desto höher ist folglich die induzierte Spannung. Da über die Spule 22 eine Spannung erfasst, aber der zu erfassende Störimpuls I ein elektrischer Strom ist, schließt sich dem Differenzverstärker 24 vorzugsweise ein Integrator 26 an.
Durch eine Integration der induzierten Spannung (vgl. hierzu Gleichung (1)) über die Impulsdauer des Störimpulses I wird eine zu dem Störimpuls I und damit dem Überschlagstrom proportionale Größe berechnet. Nach der Integration durch den Integrator 26 erfolgt die Ausgabe des Störimpulses I an die Messeinrichtung 18 zur weiteren Auswertung.
In 3 ist ein skizzierter Verlauf der Überschlagspannung kurz vor, während und nach einem Hochspannungsüberschlag in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Dabei unterteilt sich der Spannungsverlauf in Vorentladungen 28 und den eigentlichen Hochspannungsüberschlag 30. Dieser ist mit dem Störimpuls I korreliert. Die Vorentladungen 28 weisen eine im Vergleich zum Hochspannungsüberschlag 30 kleine Spannungsamplitude auf. Sie entstehen grundsätzlich durch Unterschiede in der Durchschlagsfestigkeit. Dabei ist die die Durchschlagsfestigkeit an einigen Stellen eines Mediums geringer als an anderen Stellen, sodass die angelegte Spannung bereits ausreicht, um kleine Durchschläge zu erzeugen.
Die Zeit, in der ein Hochspannungsüberschlag durchschlägt, wird üblicherweise als Impulsdauer τ bezeichnet. Hochspannungsüberschläge innerhalb des Röntgenstrahlers 6 der Röntgenvorrichtung 2 weisen typischerweise eine Impulsdauer τ mit Werten im Bereich von 2ns bis 10µs, insbesondere eine Impulsdauer τ mit Werten im Bereich zwischen 10ns und 100ns auf. Innerhalb der Impulsdauer τ steigt die Spannung steil an und bricht nach Erreichen eines Maximalwertes 32 auf einen Minimalwert 34 zusammen, bevor sich die Spannung erneut auf den Spannungswert einpendelt, den sie vor dem Durchschlag aufwies. Aufgrund der kurzen Impulsdauer im Nanosekundenbereich weist die Messeinrichtung 18 vorzugsweise eine schnelle Messtechnik auf.
Weiterhin ist durch die Detektion der Störimpulse I eine prophylaktische Zustandsbeurteilung des Röntgenstrahlers 6 ermöglicht. Beispielsweise wird bereits vor einem Hochspannungsüberschlag 30 aufgrund der Vorentladungen 28 auf ein defektes Bauteil geschlossen und dieses rechtzeitig ersetzt. Hierdurch ist einem größeren Schaden durch einen Hochspannungsüberschlag 30 und einem damit verbundenen langen Anlagenstillstand vorgebeugt. Weiterhin erfolgt ein Vergleich des Hochspannungsüberschlags 30 mit vorhandenen Referenzverläufen von Hochspannungsüberschlägen 30. Anschließend ist aufgrund des Vergleiches eine Klassifikation des aufgetretenen Hochspannungsüberschlags 30 beispielsweise in

- einen Überschlag in das Vakuum der Röntgenröhre,
- einen Überschlag in einen Feststoff des Röntgenstrahlers oder
- Teilentladungen vor einem Überschlag

2

30

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 4243360 C2 [0005]

Claims

Verfahren zur Erfassung von Hochspannungsüberschlägen in einer Röntgenvorrichtung (2), welche einen Röntgenstrahler (6) und eine Hochspannungsversorgung (4) aufweist, wobei der Röntgenstrahler (6) eine Röntgenröhre (10) aufweist und die Hochspannungsversorgung (4) einen Hochspannungsgenerator (7) sowie zumindest ein Kabel (14) aufweist, wobei das zumindest eine Kabel (14) zumindest Teil einer Verbindungsstrecke (VS) zwischen dem Hochspannungsgenerator (7) und der Röntgenröhre (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines normalen Betriebes der Röntgenvorrichtung (2) ein Störimpuls (I) erfasst und ausgewertet wird, welcher aufgrund des Hochspannungsüberschlages in der Verbindungsstrecke (VS) auftritt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Störimpuls (I) an einer entlang der Verbindungsstrecke (VS) gelegenen Messposition (21) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufgrund des Hochspannungsüberschlages in der Verbindungstrecke (VS) fließender Strom ausgewertet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Störimpuls (I) an einer entlang des Kabels (14) gelegenen Messposition (21) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störimpuls (I) in einem Nahbereich (N) des Röntgenstrahlers (6) erfasst wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Störimpulse (I) mit einer Impulsdauer (τ) mit Werten in einem Bereich von Ins bis 10µs erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ausgewerteten Störimpulses (I) auf unterschiedliche Überschlagsklassen geschlossen wird, insbesondere auf - Überschläge im Vakuum der Röntgenröhre (10) - Überschläge in einen Isolierstoff - Teilentladungen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ausgewerteten Störimpulses (I) eine Beurteilung über den Erhaltungszustand der Röntgenvorrichtung (2) oder ihrer Bauteile erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Störimpulses (I) mit Hilfe einer Ferndiagnose erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsgenerator (7) zusätzlich ein Spannungsmessgerät (7c) aufweist, das ergänzend für eine Detektion von Hochspannungsüberschlägen herangezogen wird.
Röntgenvorrichtung (2), welche - einen Röntgenstrahler (6) und - eine Hochspannungsversorgung (4) aufweist, wobei der Röntgenstrahler (6) eine Röntgenröhre (10) und die Hochspannungsversorgung (4) einen Hochspannungsgenerator (7) sowie ein Kabel (14) aufweist, wobei das Kabel (14) zumindest Teil einer Verbindungsstrecke (VS) zwischen dem Hochspannungsgenerator (7) und der Röntgenröhre (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenvorrichtung (2) eine Messeinrichtung (18) mit einem Messelement (20) aufweist, das im Betrieb zur Erfassung eines Störimpulses (I) ausgebildet ist, welcher aufgrund des Hochspannungsüberschlages in der Verbindungsstrecke (VS) auftritt.
Röntgenvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (18) derart ausgebildet ist, dass sie den Störimpuls (I) an einer Messposition (21) entlang des Kabels (14) erfasst.
Röntgenvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (18) in einem Nahbereich (N) des Röntgenstrahlers (6) positioniert ist.
Röntgenvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (20) eine Spule (22) aufweist.
Röntgenvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (22) als Rogowski-Spule ausgebildet ist.
Röntgenvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (22) einen differentiellen Aufbau aufweist