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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Einstellen der Brennfleckposition des Elektronenstrahls
auf der Anode einer Röntgenröhre.
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In Röntgeneinrichtungen werden zur
Erzeugung von Röntgenstrahlung
Röntgenröhren verwendet.
In der Röntgenröhre werden
Elektronen von einer Kathode durch ein elektrisches Feld mit der
Röntgenspannung
auf eine Anode beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Anode erzeugen
die Elektronen infolge ihrer kinetischen Energie charakteristische Röntgenstrahlung.
Richtung und Gestalt des erzeugten Röntgenstrahls werden durch die
Beschaffenheit und Ausrichtung der Oberfläche der Anode sowie durch Richtung
und Brennfleck-Position des Elektronenstrahls beim Auftreffen auf
die Anode bestimmt. Um einen gebündelten
und intensiven Röntgenstrahl in
der gewünschten
Richtung zu erzeugen, wird der Elektronenstrahl daher fokussiert
und auf eine bestimmte Stelle der Anoden-Oberfläche gerichtet.
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Während
zur Fokussierung des Elektronenstrahls auch elektrische Felder verwendet
werden, wird dessen Ablenkung vor allem durch magnetische Felder
bewirkt. Diese werden durch Ablenkspulen erzeugt, die zwischen Kathode
und Anode um den Elektronenstrahl bzw. die Röntgenröhre herum angeordnet sind.
Je nach Anforderungen an die Schärfe der
Fokussierung, an die Komplexität
der Brennfleck-Kontur und an die Möglichkeiten zur Ablenkung des
Elektronenstrahls werden ein oder mehrere Ablenkspulen vorgesehen.
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Das durch die Spulen erzeugte Magnetfeld wird
durch den Spulenstrom variiert. Variationen des Spulenstroms bewirken
also Variationen der Brennfleck-Position. Bei Anwendungs-bedingten Änderungen
der Röntgenspannung,
mit der die Elektronen von der Kathode zur Anode der Röntgenröhre beschleunigt
werden, muss der Spulenstrom ebenso verändert werden, um die Beibehaltung
der Brennfleckposition zu erreichen; insofern wird der Spulenstrom
in Abhängigkeit
von der Röntgenspannung
variiert.
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Zur dauernden Beibehaltung der gewünschten
Brennfleck-Position
muss der Spulenstrom der Röntgenspannung
ausreichend schnell nachgeführt werden.
Er muss außerdem
ausreichend exakt nachgeführt
werden, um eine stabile Brennfleckposition zu gewährleisten.
Darüber
hinaus müssen
Schwankungen der Röntgenspannung
durch Änderungen des
Spulenstroms korrigierbar sein und eine geeignetes Verhalten bei
Zusammenbrüchen
der Röntgenspannung
infolge von Röhrenüberschlägen gewährleistet
werden.
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Unabhängig davon, wie die elektrischen
oder magnetischen Felder zur Ablenkung des Elektronenstrahls erzeugt
werden, muss deren Feldstärke
also die jeweils aktuell herrschende Röntgenspannung berücksichtigen.
Die Röntgenspannung
kann entweder vom Röntgengenerator
abgegriffen werden, was eine zusätzliche
Verbindung zwischen Generator und Ablenkeinrichtung erfordert, oder
sie kann von der momentan an der Röntgenröhre anliegenden Spannung abgegriffen
werden. Dazu wird entweder an der Röntgenröhre oder am Röntgengenerator
sowohl anoden- als
auch kathodenseitig ein Spannungsteiler zwischen die jeweilige Hochspannung
und Masse angeschlossen, von dem ein der Röntgenspannung proportionales
Signal abgegriffen werden kann.
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Aus diesem Signal wird von einer
Steuerelektronik entsprechend einer gespeicherten Kennlinie ein
Steuersignal erzeugt, das die Stärke
der elektrischen oder magnetischen Felder zur Ablenkung des Elektronenstrahls
einstellt. Falls mehrere Ablenkeinrichtungen in unterschiedlicher
Orientierung vorhanden sind, wird gegebenenfalls auch die Orientierung der
Ablenkung durch die Kennlinien berücksichtigt. Es handelt sich
dabei um eine Steuerung im klassischen Sinn, bei der keine gegenseitige
Abhängigkeit zwischen
der Brennfleckposition als gesteuerter Größe und dem Ablenk-Feld als
gesteuertem Parameter besteht.
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Die Spannungsteiler zum Abgriff des
der Röntgenspannung
proportionalen Signals stellen Streukapazitäten dar, die zeitkritisch und
störungsanfällig sind.
Auch die elektrische Verbindung zwischen Ablenksteuerung und dem
Abgriff des Hochspannungssignals weist Streukapazitäten und
Störinduktivitäten als
mögliche
Fehlerquellen auf. Nicht zuletzt bilden Fertigungstoleranzen der
Röntgenröhre, Schwankungen
in der Spannungsversorgung des Röntgengenerators
und sonstige nicht vorhersehbare Störeinflüsse Fehlerquellen. Sämtliche
dieser nicht vorhersehbaren Störeinflüsse können in
der für die
Ablenk-Steuerung gespeicherten Kennlinie keine Berücksichtigung
finden und daher nicht von vorneherein kompensiert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, durch die die
Brennfleckposition in einer Röntgenröhre so eingestellt
wird, dass nicht nur die vorhersehbaren, sondern auch sämtliche
nicht vorhersehbaren Variationen und Schwankungen der für die Brennfleckposition
maßgeblichen
Einflussgrößen schnell und
zuverlässig
kompensiert werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die
die Einstellung der Brennfleckposition in einer Röntgenröhre ohne
Messung der Röntgenspannung
ermöglichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgaben durch eine Verfahren
mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des 3. Patentanspruchs.
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Es ist ein Grundgedanke der Erfindung,
die Einstellung der Brennfleckposition der Röntgenröhre durch eine Regelung anstelle
einer Steuerung vorzunehmen. Regelung bedeutet dabei im klassischen Sinn,
dass die Einstellung der Brennfleckposition als Regelgröße anhand
eines Regelparameters vorgenommen wird, wobei der Regelparameter
wiederum in Abhängigkeit
von der Regelgröße eingestellt
wird. Regelparameter und Regelgröße beeinflussen
sich in der Regelung also gegenseitig.
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Die Regelung der Brennfleckposition
hat den Vorteil, dass sämtliche
vorhersehbaren und nicht vorhersehbaren Störeinflüsse auf die Einstellung der Brennfleckposition
automatisch kompensiert werden. Darüber hinaus werden Zeitverluste,
die bisher durch die Messung der Röntgenspannung und die anschließende Ermittlung
von Werten aus einer gespeicherten Kennlinie auftraten, vermieden.
Außerdem kann
durch die Regelung auf die Messung der Röntgenspannung und die dafür erforderlichen
elektrischen Verbindungen verzichtet werden, wodurch die damit verbundenen
Störeinflüsse vermieden
werden. Nicht zuletzt werden eventuell innerhalb des Regelkreises
auftretende Störeinflüsse durch
die Regelung selbst automatisch kompensiert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung besteht darin, Sensoren vorzusehen, die ein Signal messen,
das die Brennfleckposition widerspiegelt. Dieses Signal wird als
Regelgröße für die Ablenk-Regelung
verwendet, in dessen Abhängigkeit die
Stärke
der elektrischen oder magnetischen Felder zur Ablenkung des Elektronenstrahls
als Regelparameter variiert wird. Damit steht dem Regelkreis ein
die Regelgröße repräsentierendes
Signal unmittelbar zur Verfügung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung besteht darin, die Regelgröße, also das Signal für die Brennfleckposition,
ohne Berührung
zur Röntgenröhre oder
zur Anode der Röntgenröhre zu messen.
Die Messung kann entweder am Röntgenstrahl
selbst oder optisch durch Temperaturmessung an der A node erfolgen.
Dadurch kann die Verwendung aufwändiger
Verbindungstechnologien zwischen den Signal-Detektoren des Regelkreises
und der Röntgenröhre vermieden
werden. Außerdem werden
Störeinflüsse, die
durch solche Verbindungen verursacht würden, vermieden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung besteht darin, als Signal für die Brennfleckposition die
Intensität
des Röntgenstrahls
ortsaufgelöst
zu messen. Dieser Gedanke gründet
auf der Erkenntnis, dass Orientierung und Position des Röntgenstrahls
von der Brennfleckposition abhängen.
Die Verwendung der Röntgenstrahl-Intensität als Regelgröße hat den
Vorteil, dass die Messung an dem eigentlichen Gegenstand des Interesses,
nämlich
am Röntgenstrahl
selbst, vorgenommen wird. Daher können jegliche Fehler, die in
die Erzeugung des Röntgenstrahls
eingehen, erfasst und kompensiert werden, gleichgültig an
welcher Stelle der Erzeugung des Röntgenstrahls sie auftreten.
Außerdem
wird der Vorteil erreicht, dass die Sensoren unaufwändig und preisgünstig sind
und leicht integriert werden können, da
ihre Platzierung nicht kritisch ist.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung besteht darin, als Regelgröße die Temperatur der Anode
ortsaufgelöst
zu messen. Die Messung erfolgt optisch, z.B. durch Infrarotkameras,
und beruht auf der Erkenntnis, dass die Anode durch den auftreffenden
Elektronenstrahl stark erwärmt
wird und im Brennfleck selbst die größte Temperatur herrscht. Die
Verwendung dieses Signals hat den Vorteil, dass es die Regelgröße unmittelbar
widerspiegelt. Dadurch werden Störeinflüsse durch
eine mittelbare, indirekte Messung der Regelgröße aus dem Regelkreis eliminiert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 Röntgenröhre mit
Elektronen- und Röntgenstrahl,
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2 schematischer
Aufbau zur Regelung der Brennfleckposition mittels Intensitäts-Messung,
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3 schematischer
Aufbau zur Regelung der Brennfleckposition mittels optischer Temperaturmessung.
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1 zeigt
schematisch einen Aufbau zur Regelung der Brennfleckposition einer
Röntgenröhre 1.
In der Röntgenröhre 1 werden
Elektronen durch die Kathode 3 emittiert und aufgrund der
angelegten Röntgenspannung
zur Anode 5 beschleunigt. Die Elektronen verlassen die
Kathode 3 bereits fokussiert und bilden daher einen Elektronenstrahl 7.
Der Elektronenstrahl 7 wird durch Ablenkspulen 9 abgelenkt und
zeigt daher einen gekrümmten
Strahlengang. Obwohl Ablenkspulen 9 zur Ablenkung des Elektronenstrahls 7 üblich sind,
können
statt dessen auch Ablenkplatten oder andere Einrichtungen zur Erzeugung
von elektromagnetischen Feldern verwendet werden.
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Der Elektronenstrahl 7 trifft
im Brennfleck 11 auf die Anode 5. Die Position
des Brennflecks 11 hängt
von der Stärke
des durch die Ablenkspulen 9 erzeugten Ablenkfeldes sowie
von der durch die Röntgenspannung
verursachten kinetischen Energie der Elektronen ab. Die Breite des
Elektronenstrahls 7 kann durch zusätzliche Maßnahmen zur Fokussierung beeinflusst
werden. Beim Auftreffen auf die Anode 5 erzeugen die Elektronen
charakteristische Röntgenstrahlung.
Außerdem
wird die Anode 5 im Brennfleck 11 erwärmt.
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Die erzeugten Röntgenstrahlen werden von der
Anode 5 in einem Röntgenstrahl 13 abgestrahlt. Die
Richtung bzw. Orientierung des Röntgenstrahls 13 hängt dabei
wesentlich von der Richtung des Elektronenstrahls 7, von
der Position des Brennflecks 11 sowie von der Beschaffenheit
und Ausrichtung der Oberfläche
der Anode 5 ab. Das Gleiche gilt für die räumliche Position des Röntgenstrahls 13. Eine Änderung
der Ablenkung des Elektronenstrahls 7 bewirkt eine Verschiebung
der Brennfleckposition 11 und damit des Ursprungsortes
des Röntgenstrahls 13.
Außerdem ändert sich
der Winkel, unter dem der Elektronenstrahl 7 auf die Oberfläche der
Anode 5 auftrifft, weshalb auch der Röntgenstrahl 13 unter
geändertem
Winkel von der Anode 5 abgestrahlt wird.
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Der Röntgenstrahl 13 verlässt die
Röntgenröhre 1 und
läuft durch
eine Blende 15, die einen Strahlengang von der Anode 5 zu
dem zu untersuchenden oder zu behandelnden Patienten oder Objekt
freigibt.
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2 zeigt
schematisch einen Aufbau zur Regelung der Brennfleckposition. Dargestellt
ist lediglich ein Ausschnitt der Hälfte der Röntgenröhre 1 aus 1. Der durch die Ablenkspulen 9 abgelenkte Elektronenstrahl 7 ist
hier in zwei verschiedenen, alternativen Ablenkrichtungen dargestellt,
einmal als durchgezogene Linie und einmal als gestrichelte Linie.
Infolge dessen trifft der Elektronenstrahl 7 an zwei unterschiedlichen,
alternativen Brennfleckpositionen 11 auf die Anode 5.
Je nach Brennfleckposition 11 wird von der Anode 5 ein
unterschiedlich ausgerichteter Röntgenstrahl 13 mit
unterschiedlicher räumliche
Position emittiert, wobei in der 2 lediglich
die unterschiedliche Position dargestellt ist, nicht jedoch eine
unterschiedliche Richtung. Aus der Darstellung ist ersichtlich,
dass die unterschiedliche Ablenkung des Elektronenstrahls 7 eine
Verschiebung der Position des Röntgenstrahls 13 zur
Folge hat.
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Die Röntgenstrahlen 13 verlassen
die Röntgenröhre 1 und
laufen durch die Blende 15. Die Blende 15 gibt
den Strahlengang zwischen Anode 5 und zu untersuchendem
oder behandelndem Objekt oder Patienten frei und schirmt andere
Austrittsrichtungen für
Röntgenstrahlen 13 ab.
Dabei weist sie einen so gro ßen
Querschnitt auf, dass Richtung und Position der durchtretenden Röntgenstrahlen 13 immer
noch variieren können.
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Jenseits der Blende 15,
also außerhalb
der Röntgenröhre 1,
sind zwei Fotodetektoren 17, 19 zur Positionsmessung
des Röntgenstrahls 13 angeordnet.
Als Fotodetektoren 17, 19 können Halbleiterdetektoren,
organische Photodioden oder Szintillations-Kammern verwendet werden.
Der Röntgenstrahl 13 tritt
auf dem für
ihn vorgesehenen Strahlengang zwischen den beiden Fotodetektoren 17 und 19 hindurch
und streift sie dabei höchstens
am Rande. Die nutzbare Intensität
des Röntgenstrahls 13 wird
dadurch nicht verringert. Die Fotodetektoren 17, 19 liefern
bei dieser Konstellation ein geringes oder gar kein Ausgangssignal.
Verschiebt sich der Röntgenstrahl 13 in
die eine oder andere Richtung weg von dem für ihn vorgesehenen Strahlengang,
so wird das Ausgangssignal eines der beiden Fotodetektoren 17, 19 größer und
dasjenige des jeweils anderen kleiner oder bleibt verschwindend.
Die Ausgangssignale der Fotodetektoren 17, 19 spiegeln
also die Ausrichtung des Röntgenstrahls 13 und
die Brennfleckposition 11 wieder.
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Die Fotodetektoren 17, 19 sind
mit einem Auswerte-Bauelement 21, z.B. einem Differenzverstärker, verbunden.
Das Ausgangssignal des Komparators 21 spiegelt das Verhältnis der
Ausgangssignale der Fotodetektoren 17, 19 zueinander
und damit die Ausrichtung des Röntgenstrahls 13 wieder.
Je nach Auslegung der Anordnung kann z.B, ein negatives Ausgangssignal
auf eine Verschiebung des Röntgenstrahls 13 nach
links hinweisen, ein positives Ausgangssignal auf eine Verschiebung
nach rechts und ein verschwindendes Ausgangssignal auf die exakte
Zentrierung des Röntgenstrahls 13.
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Das Ausgangssignal des Komparators 21 wird
einem Regler 23 zugeführt.
Der Regler 23 erhält über einen
weiteren Eingang, den Sollwert-Eingang 25, ein Sollwertsignal,
das die gewünschte
Position des Röntgenstrahls 13 im
Verhältnis
zu den Fotodetektoren 17, 19 wiederspiegelt. In
Abhängigkeit
von der Einhaltung oder vom Abweichen des Ausgangssignals von Komparator 21 vom
Sollwert gibt der Regler 23 ein gleichbleibendes oder geändertes
Ausgangssignal aus. Dieses wird durch eine Spulenstromquelle 27 verstärkt und
geht als Spulenstrom der Ablenkspule 9 zu.
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Der dargestellte Aufbau arbeitet
als Regelkreis, in dem der Regler 23 den Spulenstrom als
Regelparameter verändert,
in dessen Abhängigkeit
sich eine veränderte
Ablenkung des Elektronenstrahls 7 ergibt. Dadurch ändert sich
die Regelgröße, nämlich die
Brennfleckposition 11 des Elektronenstrahls 7 auf der
Anode 5. Die Regelgröße kann
nicht direkt erfasst werden, sondern nur indirekt über die
Position des Röntgenstrahls 13 durch
die Fotodetektoren 17, 19. Diese indirekt erfasste
Regelgröße wird
dem Regler 23 zugeführt.
Damit ist der Regelkreis gleichwohl geschlossen, da auch die indirekt
erfasste Regelgröße die tatsächliche
Brennfleckposition 11 zuverlässig wiederspiegelt. Die Zeitkonstante,
mit der der Regelkreis arbeitet, bestimmt sich allein aus den Zeitkonstanten
und Schaltzeiten der Bauelemente des Regelkreises selbst. Hier ist
vor allem die Abtastzeit durch die Fotodetektoren 17, 19 in
Betracht zu ziehen, die möglichst
kurz sein sollte. Der Komparator 21 arbeitet nahezu ohne
zeitliche Verzögerung, der
Regler 23 und die Spulenstromquelle 27 sollten hinreichend
schnell ausgelegt sein.
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Der Regelkreis bietet die für einen
Regelkreis typischen Vorteile, die darin bestehen, dass Störeinflüsse innerhalb
des Regelkreises automatisch kompensiert werden. Zum Beispiel führen nicht beabsichtigte
Schwankungen des Regelparameters, des Spulenstroms, zwar zu einer Änderung
der Regelgröße, nämlich der
Brennfleckposition 11, werden als solche jedoch durch die
Fotodetektoren 17, 19 detektiert und deshalb wieder
kompensiert. Schwankungen in der Röntgenspannung führen ebenfalls
zu einer veränderten
Brennfleckposition 11 und werden genauso durch die Fotodetektoren 17, 19 detektiert und
durch den Regelkreis kompensiert. Dies gilt für sonstige vor hersehbare und
nicht vorhersehbare Störeinflüsse in gleicher
Art.
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3 zeigt
schematisch eine andere Variante des Aufbaus zur Regelung der Brennfleckposition. 3 zeigt den gleichen Ausschnitt
wie 2 mit im Wesentlichen
den gleichen Komponenten. Anstelle der Fotodetektoren 17, 19 sind
jedoch Infrarotkameras 29, 31 vorgesehen. Die
Infrarotkameras 29, 31 sind so ausgerichtet, dass
sie die Temperatur der Anode 5 an verschiedenen Positionen
R1, R2 messen. Diese Messung erfolgt von außerhalb der Röntgenröhre 1,
die zu diesem Zweck aus einem Infrarot-durchlässigen Material gefertigt ist
oder ein Infrarot-durchlässiges
Fenster aufweist.
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Die auf die Anode 5 auftreffenden
Elektronen bewirken aufgrund ihrer kinetischen Energie eine starke
Erwärmung
der Anode 5. Die Wärme
verteilt sich auch, erreicht jedoch ihren Spitzenwert im Brennfleck 11.
Daher sind je nach Ausrichtung des Elektronenstrahls 7 bzw.
je nach Brennfleckposition 11 unterschiedliche Temperaturen
in den unterschiedlichen Messpunkten R1, R2 zu messen. Die durch
die Infrarotkameras 29, 31 gemessenen Positionen
R1, R2 auf der Oberfläche
der Anode 5 liegen so, dass der Elektronenstrahl 7 bei
korrekter Ablenkung zwischen ihnen auftreffen sollte. Änderungen der
Brennfleckposition 11 werden dann als Änderungen der Messsignale in
R1, R2 wahrnehmbar. Die Temperatur-Messsignale bilden die Brennfleckposition
zwar nur indirekt, aber ausreichend zuverlässig ab, um als Signal für die Regelgröße dienen
zu können.
Der Regelkreis arbeitet also auf Basis der Temperaturmessung ebenso
wie auf Basis der Röntgen-Intensitätsmessung.
Die Beschreibung der Funktion des Regelkreises ist daher analog
zu der Beschreibung zu 2 und
wird daher nicht erneut wiedergegeben.
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Der beschriebene einkanalige Regelkreis kann
unter Verwendung weiterer Ablenkspulen 9 sowie weiterer
Detektoren 17, 19, 29, 31 auf
einen mehrkanaligen Regelkreis für
die zweidimensio nale Regelung der Brennfleckposition erweitert werden. Entsprechend
kann der Regler 23 mehrere Eingänge für Signale von Komparatoren 21 und
Sollwerten 25 aufweisen.
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Zu Beginn des Betriebs stellt der
Regler 23 einen vorgegebenen Startwert für den Regelparameter
ein. Damit ist sichergestellt, dass zu Beginn des Betriebs der Elektronenstrahl 7 in
einem Bereich auf die Anode 5 auftrifft, der eine Erfassung
durch die Detektoren 17, 19, 29, 31 von
Anfang an ermöglicht. Ansonsten
würde der
Regelkreis wegen des Fehlens der Regelgröße nicht arbeiten können. Der
Startwert kann abhängig
vom Sollwert der Röntgenspannung vorgegeben
werden, ohne dass dafür
jedoch die Röntgenspannung
gemessen werden müsste.
Das Vermeiden einer Messung der Röntgenspannung unterbindet Störpfade von
der Röntgenröhre 1 zum
Regelkreis sowie Störeinflüsse durch
Streukapazitäten und
Störinduktivitäten in der
Verbindung der beiden.
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Der Startwert für den Regler 23 kann
außerdem
bei Auftreten von Kurzschlüssen
in der Röntgenröhre 1 und
damit Ausfallen des Elektronenstrahls 7 und des Röntgenstrahls 13 eingestellt
werden. Damit ist auch nach Wiederaufnahme des Betriebs im Anschluss
an einen Kurzschluss sichergestellt, dass der Regelkreis aktiv werden
kann.