-
Einrichtung zur Einstellung des Heizstromes bei einem Röntgenapparat
mit mehreren wahlweise abwechselnd einschaltbaren Röntgenröhren-Glühkathoden Die
Erfindung betrifft einen Röntgenapparat mit einer Schaltungsanordnung zur Speisung
mehrerer wahlweise abwechselnd einschaltbarer Röntgenröhren-Glühkathoden, insbesondere
mit einer Röntgenröhre mit zwei Glühkathoden, mit denen wahlweise bei Belastung
der Röhre zwei verschiedene Fokusgrößen erzielbar sind.
-
Es ist eine Einrichtung zur Einstellung des Heizstromes bei einem
Röntgenapparat mit mehreren wahlweise abwechselnd einschaltbaren Röntgenröhren-Glühkathoden
bekannt, bei der mit einem Glühkathodenwahlschalter gekoppelte Mittel zur Anpassung
des Heizkreises an die jeweils angeschaltete Glühkathode einen in Reihe mit der
Primärwicklung eines für alle Glühkathoden gemeinsamen Heiztransformators angeordneten
veränderbaren Widerstand enthalten. Mit der Umschaltung auf eine andere Röntgenröhre
werden über Transformatoren mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis verschiedene
Widerstände in den primären Heizstromkreis übertragen. Bei Austausch einer Röntgenröhre
müssen in umständlicher Weise durch Ausprobieren die Übersetzungsverhältnisse der
Transformatoren geändert werden.
-
Demgegenüber strebt die Erfindung eine Einstellvorrichtung von größerer
konstruktiver Einfachheit an, bei der außerdem durch einen übersichtlichen `Wirkungsmechanismus
eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Glühkathodencharakteristiken möglich
ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die bekannte Reihenschaltung
aus einem veränderbaren Widerstand und der Primärwicklung eines Heiztransformators
von einer aus zwei Komponenten bestehenden Spannung gespeist wird, von denen die
eine Komponente zusammen mit dem Widerstand bei Betätigung des Glühkathodenwahlschalters
veränderbar ist und die zweite Komponente unabhängig von der ersten Komponente zur
Einstellung eines gewünschten Röhrenstromes veränderbar ist.
-
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeichnet
sich ferner dadurch aus, daß sich für jede Glühkathode der Emissionsstrom in Abhängigkeit
von den eingestellten Werten von Elektrizitätsmenge (mAs) und Röhrenspannung (kV)
durch Änderung des Heizstromes selbsttätig so einstellt, daß die Röntgenröhre mit
der höchstzulässigen Belastung (Grenzbelastung) betrieben wird. Die für die verschiedenen
Glühkathoden höchstzulässigen Emissionsströme werden dabei mittels der Regler für
die Röhrenspannung und das mAs-Produkt eingestellt, und zwar für alle Röntgenröhren-Glühkathoden
gemeinsam, trotz unterschiedlicher Widerstände und Emissionscharakteristiken der
einzelnen Glühkathoden.
-
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung liefert ferner eine Spannung,
die mit guter Näherung dem Emissionsstrom (der mA-Zahl) der eingeschalteten Glühkathode
proportional ist. Diese Spannung kann dazu verwendet werden, vor der Bestrahlung
an einem Instrument einen Ausschlag zu erhalten, der die Spannung an der Röntgenröhre
bei Belastung unter Berücksichtigung der Spannungsabfälle im Netz und in verschiedenen
Teilen des Apparates während der Bestrahlung anzeigt. Wenn die dem Emissionsstrom
proportionale Spannung auch einer Vorrichtung zugeführt wird, deren Ausgangsspannung
dem Logarithmus dieser Spannung proportional ist, und aus dieser Ausgangsspannung
und einer Spannung, die dem Logarithmus der eingestellten Strommenge (der mAs-Zahl)
proportional ist, die Differenz gebildet wird, so erhält man eine Spannung, die
dem Logarithmus der Bestrahlungszeit proportional ist und zur Voranzeige der Bestrahlungszeit
dienen kann. Dies ist insbesondere bei solchen Apparaten wichtig, die keinen Belichtungszeitwähler,
sondern statt dessen ein mAs-Relais aufweisen, das die Bestrahlung unterbricht,
wenn die gewünschte Elektrizitätsmenge durch die Röntgenröhre hindurchgegangen ist.
-
Das Prinzip nach der Erfindung wird nachfolgend an der Schaltungsanordnung
zur Speisung mehrerer Röntgenröhren-Glühlzathoden gemäß Fig. 1 erläutert.
-
Ein Transformator T 1 wird mit einer vorzugsweise stabilisierten Spannung
V, gespeist. Durch einen Schaltarm n am Emissionsstromwähler mA wird dem Transformator
T1 jeweils ein Strom entnommen, der dem bei dieser Stellung des Wählers gewünschten
Emissionsstrom entspricht.
-
Der entnommene Strom fließt durch die Primärwicklung des Transformators
T2, an dessen Sekundärwicklung die Glühkathoden f 1, f2, f s und
f 4 durch einen Schaltarm b
des Glühkathodenwählers F wahlweise angeschlossen
werden
können. Der Strom fließt ferner durch den Serienwiderstand
R, dessen Widerstandswert mittels des Schaltarmes c, der ebenfalls durch den Glühkathodenwähler
F betätigt wird, den verschiedenen Glühkathoden individuell angepaßt ist. Der Strom
kehrt zum Transformator T1 über den Schaltarm d zurück, der ebenfalls durch den
Glühkathodenwähler F betätigt wird.
-
Wenn man die vom Transformator TI abgenommene Spannung mit l', den
Strom in der Primärwicklung des Transformators T2 mit il und die Spannung an dieser
Wicklung mit U1 bezeichnet, so ist V = il ' R -1- V, (1) Die Beziehung
zwischen il und V1 ist in der Fig. 2 dargestellt.
-
Im folgenden wird der Einfachheit wegen 1"1 als Funktion von il als
gerade Linie angesehen. Bei praktischen Messungen wirkt sich diese Näherung nicht
in nennenswerter Weise auf den Unterschied zwischen dem theoretischen und dem praktischen
Resultat aus. Die Gleichung der geraden Linie kann wie folgt geschrieben werden:
V1 = il . Ii - 11-0. (2) Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich
In dieser Gleichung sind 1i und V, physikalische Konstanten für die einzelne Glühkathode,
und 1#" und R sind durch den Glühkathodenwähler F wählbar.
-
Wird V in zwei Teilspannungen EI und E. zerlegt: 1' -
EI + E2, (4) von denen EI durch den Schaltarm a und E2 durch
den Schaltarm d regelbar ist, so kann Gleichung (3) geschrieben werden:
il als Funktion von EI wird also graphisch durch eine unendliche Anzahl gerader
Linien dargestellt, deren Steigung tg a durch das mit dem Schaltarm c wählbare
R und deren Abschnitte l auf der i, -Achse teils durch das mit dem Schaltarm
d wählbare E2 und teils durch das mit dem Schaltarm c wählbare R bestimmt werden.
Für einen bestimmten Heizfaden gilt also
Für jede Glühkathode gibt es eine Emissionscharakteristik, die die Beziehung zwischen
Emissionsstrom I (rraA) und Heizstrom il der Glühl.:athode angibt. Diese
Beziehung ist in Fig. 3 in Nomogrammform angegeben, wo die mit mA' bezeichnete Achse
sich auf eine bestimmte Glühkathode und die mit mA" bezeichnete Achse sich auf eine
andere Glühkathode beziehen. Vier verschiedene Emissionsströme Il', I,',
I3 und I4 sind an der ersten Achse eingezeichnet. Es sollen insbesondere die Emissionsströme
Ii und I,' (der größte bzw. kleinste Emissionsstrom) betrachtet werden. Den Emissionsströmen
Il' und I4 entsprechen zwei Werte des Heizstromes ii und i,', die auf der mit il
bezeichneten Achse abgetragen sind. Diese beiden Werte von il können nach Gleichung
(5) bei innerhalb gewisser Grenzen beliebigen Werten von EI
erhalten werden,
da unabhängig von EI durch das zweite Glied der Gleichung (5) der Wert von
il geändert werden kann. Man kann also für jede Glühkathode bei zwei Emissionsströmen
einer Glühkathode innerhalb gewisser Grenzen eine beliebige Beziehung zwischen E,
und dem EI entsprechenden Emissionsstrom I wählen. Zwei verschiedene Möglichkeiten
der Zuordnungen zwischen den Spannungen EI und den Emissionsströmen I sollen
nachfolgend erläutert werden.
-
Die erste Möglichkeit, die in Fig.3 dargestellt ist, besteht darin,
daß man die Werte von R und E2 der Gleichung (5) für jede Glühkathode derart wählt,
daß der größte und der kleinste Emissionsstrom (1i und I,,') für sämtliche Glühkathoden
bei jeweils gleichen Werten von EI übereinstimmen. Die Geraden
H' und H" mit den entsprechenden Ordinatenabschnitten L' und
L" geben die funktionelle Beziehung des Heizstromes il zur Spannung
EI nach der Gleichung (5) für zwei Glühkathoden graphisch wieder. Für zwei
verschiedene Glühkathoden gilt dann bei einem bestimmten EI
I','
= Ii = I, und bei einem anderen EI
Il '=Il, =Il.
-
Die zwischen den Emissionsströmen Il' und I,' einstellbaren Emissionsströme
I2' und I3 werden für eine bestimmte Glühkathode durch Zuordnung bestimmter Werte
EI gewählt. Die entsprechenden Emissionsströme I," und I," für die andere
Glühkathode sind dabei zwangläufig bestimmt. Wenn Il' = Il" und I4'
= 4", dann gilt auf Grund der gleichförmigen Krümmung der Emissionskurven
für verschiedene Glühkathoden mit praktisch ausreichender Genauigkeit IJ --12'=I2
und 1. =I3'=L;3, d. h., bei gleichem EI gibt jede Glühkathode den gleichen
Emissionsstrom ab.
-
Eine andere Möglichkeit, um die Beziehung zwischen der Spannung
EI und den Emissionsströmen I der verschiedenen Glühkathoden festzulegen,
besteht darin, jedem Wert von EI innerhalb eines gewissen Intervalls jeweils
jeder Glühkathode einen solchen Emissionsstrom zuzuordnen, der mit Rücksicht auf
die Belastbarkeit der Röhre bei denjenigen Betriebsbedingungen, die durch die Spannung
EI definiert sind, zulässig ist. Die Spannung EI
muß somit teils durch
einen Elektrizitätsmengenwähler (mAs-Wähler), teils durch einen Spannungswähler
(kV-Wähler) veränderbar sein, da für eine Röntgenröhre bei verschiedenen Kombinationen
von mAs- und kV-Werten verschiedene Emissionsströme zulässig sind.
-
Die funktionelle Beziehung zwischen I und EI für eine bestimmte
Glühkathode wird durch drei Faktoren bestimmt, die derart einwirken, daß die Beziehung
zwischen 1 und EI von der geraden Linie abweicht. Dies<; Faktoren sind
1. die Änderung des Heizfadenwiderstandes mit El, 2. die Krümmung der Emissionskurve,
d. h. die Krümmung derjenigen Kurve, die die Beziehung zwischen Emissionsstrom und
Heizstrom angibt, 3. der Raumladeeffekt in der Röhre, d. h. die Beziehung zwischen
Emissionsstrom und Spannung an der Röhre, wenn die Spannung bei konstantem Heizstrom
geändert wird.
-
Bei der unten beschriebenen vollständigen Einrichtung gemäß der Erfindung
wird der Raumladeeffekt selbsttätig dadurch kompensiert, daß der Spannungswähler
den Heizstromkreis beeinflußt. Infolge der beiden übrigen Faktoren erhält die I
als Funktion von E, angebende Kurve einen aus Fig. 4 ersichtlichen Charakter. Da
die relative Änderung sowohl des Heizwiderstandes als des Emissionsstromes bei Änderung
von EI für verschiedene
Glühkathoden gleichsinnig ist, kann
man eine Spannung, die für sämtliche Glühkathoden dem Emissionsstrom I im wesentlichen
proportional ist, dadurch erhalten, daß man die Spannung Ei über eine nichtlineare
Impedanz herausnimmt, die aus einem spannungsabhängigen Widerstand bestehen kann.
-
Die Proportionalitätskonstante zwischen dieser Spannung und den Emissionsströmen
I', I" ... für verschiedene Glühkathoden ist immer die gleiche, wenn
die Beziehung zwischen I', I" und El entsprechend der ersten der oben angegebenen
Möglichkeiten gewählt wird, während sie für verschiedene Glühkathoden verschieden
ist, wenn die Beziehung zwischen I', I" und El entsprechend der zweiten der
oben beschriebenen Möglichkeiten gewählt wird.
-
Die im nachfolgenden beschriebene vollständige Einrichtung einer Ausführungsform
nach der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt.
-
T;; ist der Hochspannungstransformator, dessen Sekundärspannung der
nicht dargestellten Röntgenröhre zugeführt wird. Zur Auslösung einer Röntgenaufnahme
wird der Auslösekontakt e betätigt, so daß das Schaltschütz El den Regeltransformator
T4 mit der Primärwicklung des Hochspannungstransformators T; verbindet. Die gewünschte
Röntgenröhrenspannung wird vorher mittels der Abgriffe g eingestellt, die durch
einen Hochspannungswähler kL' verschiebbar sind. Die gewünschte Elektrizitätsmenge
wurde ebenfalls vorher mittels des Schalters la, der das mAs-Relais 1 betätigt,
am Elektrizitätsmengenwähler mAs eingestellt. Diese Vorrichtung mißt in bekannter
Weise während der Aufnahme den Zeitintegralwert (die mAs-Zahl) des durch die Röntgenröhre
fließenden Stromes und betätigt, wenn die vorgewählte Elektrizitätsmenge hindurchgeflossen
ist, das Schaltschütz K1, so daß dieses den Strom zum Hochspannungstransformator
T3 unterbricht.
-
Auf derselben Achse wie der Schalter h ist ein Schalterzn angeordnet,
durch den am Transformator T, eine Spannung I'2 abgenommen wird, die dem Logarithmus
der eingestellten Elektrizitätsmenge proportional ist. Das Instrument 2 zeigt daher
vor der Aufnahme die eingestellte mAs-Zahl an. Bei gleichmäßiger Verteilung der
Anzeigestriche dieses Instrumentes entspricht jeder Teilstrichabstand einem konstanten
relativen Zuwachs der Elektrizitätsmenge. Durch die Wahl einer bestimmten Glühkathode
mittels des Wählers F, die Einstellung der Röhrenspannung mittels des Wählers kV
sowie des mAs-Produktes mittels des Wählers mAs ist der Heizstrom der Röntgenröhre
selbsttätig derart gewählt worden, daß der höchstzulässige Emissionsstrom in der
Röntgenröhre erhalten wird. Dadurch wird immer die kürzeste Belichtungszeit erzielt,
was mit Rücksicht auf die Schärfe des photographischen Bildes wünschenswert ist.
Diese selbsttätige Wahl des höchstzulässigen Emissionsstromes wird in folgender
Weise durchgeführt: Die Spannung El wird in zwei Komponenten Ei und E," zerlegt,
wobei die eine Komponente El' von der eingestellten mAs-Zahl und die andere Komponente
E," von der eingestellten kV-Zahl abhängt. Es sei angenommen, daß eine bestimmte
kV-Zahl eingestellt worden ist. Bei dieser kV-Zahl erträgt die Röhre einen um so
höheren Emissionsstrom, je niedriger die eingestellte mAs-Zahl ist. Dieser Emissionsstrom
wird mittels des Schalters a selbsttätig geregelt, dessen Beitrag zur Heizspannung
die Spannung El' ist.
-
Es sei weiterhin angenommen, daß die kV-Zahl durch Verschiebung der
Abgriffe g erhöht wird. Dabei erträgt die Röntgenröhre einen um so niedrigeren Emissionsstrom,
je höher die eingestellte kV-Zahl ist. Dieser Emissionsstrom wird selbsttätig mittels
des Transformators T, geregelt, der in an sich bekannter Weise eine Spannung
EI" in den Heizstromkreis einkoppelt, die der vom Transformator T1 abgegebenen
Spannung entgegengerichtet ist.
-
Durch geeignete Wahl von EZ und R für verschiedene Glühkathoden werden
die Emissionsströme derart gewählt, daß bei verschiedenen Einstellungen der mAs-Zahl
und kV-Zahl im wesentlichen immer der höchstzulässige Emissionsstrom erhalten wird,
wobei zugleich individuelle Verschiedenheiten der Emissionskurven und der Heizwiderstände
berücksichtigt werden.
-
Wenn der Schaltungsanordnung die Spannung El über eine nichtlineare
Impedanz Z, die die Krümmung der Emissionskurve kompensiert, entnommen wird, so
erhält man eine Spannung I'7, die den Emissionsströmen I mit verschiedenen Proportionalitätskonstanten
für die verschiedenen Glühkathoden in guter Näherung proportional ist.
-
Die Anordnung nach der Fig. 5 enthält ferner ein Meßinstrument 3 zur
Voranzeige der während der Aufnahme an der Röntgenröhre liegenden wahren Spannung
(kV-Voranzeige). Ferner umfaßt die Anordnung ein Meßinstrument 5 (Belichtungszeitanzeiger),
das vor der Aufnahme die zu gewärtigende Aufnahmedauer anzeigt. Diese beiden Anzeigen
werden mit Hilfe der SpannungEl an spannungsmessenden Instrumenten erhalten. Dadurch,
daß man die Spannung I',, einem Transformator T7 zuführt und dessen Übersetzungsverhältnis
mittels des Schalters n in Abhängigkeit der eingeschalteten Glühkathode ändert,
erhält man eine Spannung L"3, die bei den verschiedenen Glühkathoden jeweils mit
derselben Proportionalitätskonstante den wahren Emissionsströmen proportional ist.
Diese Spannung I'3 ist gegenphasig zur Spannung V4, die der Leerlaufspannung auf
der Sekundärseite des Transformators T3 proportional ist. Dadurch erhält man eine
Spannung am Instrument 3, die der Röntgenröhrenspannung während der Belastung im
wesentlichen proportional ist.
-
Der Belichtungszeitanzeiger arbeitet in der folgenden Weise: Die dem
wahren Emissionsstrom (der mA-Zahl) proportionale Spannung V3 wird einer logarithmierenden
Brücke 4 zugeführt, deren Ausgangsspannung I75 T,-5 = Cl ' log l'-, - C@ (6) ist,
wobei Cl und C. Konstanten sind.
-
Oben wurde angegeben, daß die Spannung I"2 proportional dem Logarithmus
der eingestellten Elektrizitätsmenge ist, d. h.
-
V2 = C3 - log (I - t), (7)
wobei C3 eine Konstante,
I der Emissionsstrom und t die Belichtungszeit ist. Ferner ist oben
angegeben worden, daß die Spannung V.. dem wahren Emissionsstrom I proportional
ist, d. h.
-
V3 = C4 - I, (8)
C4 ist eine Konstante.
-
Aus den Gleichungen (6) und (8) erhält man VI = Cl log (C4 ' I) -
C2. (9) Durch Subtraktion der Spannungen V, und VS erhält man eine Spannung Vs,
für die folgendes gilt: V, = h 2 - V5 = C3 log (I - t) - Cl log (C4
' I) -f- C.
-
= C3 log (I - t) - Cl log I - Cl log C4 + C..
Indem
man geeignete Anzapfungen am Transformator T& wählt, erhält C3 einen solchen
Wert, daß C3 = C,. (11) Ferner erlaubt die Konstruktion der Einrichtung 4, C2 derart
zu wählen, daß C2 = C, log C, (12) Hiermit kann die Gleichung (10) wie folgt vereinfacht
werden V6 = C3 log (I t) - C3 log I = C3 log t. (13) Das spannungsmessende
Instrument 5, dem die Spannung V6 zugeführt wird, gibt daher vor der Aufnahme diejenige
Aufnahmedauer an, die bei der jeweiligen Einstellung der mAs-Zahl und kV-Zahl für
die verwendete Glühkathode bei mammaler Röhrenbelastung erhalten wird. Der Ausschlag
des Instrumentes wächst logarithmisch mit der Aufnahmedauer. Bei gleichmäßiger Verteilung
der Anzeigestriche des Instrumentes entspricht jeder Teilstrichabstand der gleichen
relativen Änderung der Aufnahmedauer.