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Röntgenapparat zum gleichzeitigen Betrieb von zwei Röntgenröhren Die
Erfindung betrifft einen Röntgenapparat zum gleichzeitigen Betrieb von zwei Röntgenröhren
mit unterschiedlichen Röhrenströmen und -spannungen an einer aemeinsamen Hochspannungsquelle,
wobei die erste Röntgenröhre direkt mit der Hochspannungsquelle verbunden ist und
die zweite Röntgenröhre zum Einstellen ihrer Röhrenspannung, in Reihe mit einer
gittergesteuerten ersten Elektronenröhre oder zwei gittergesteuerten Elektronenröhren,
eine auf der Anoden- und eine auf der Kathodenseite der Röntgenröhre, mit der Hochspannungsquelle
verbunden ist.
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Für bestimmte Zwecke, z. B. für die Gehirnangiographie oder Angiocardiographie,
ist es erwünscht, zwei Röntgenröhren zu verwenden, um Röntgenogramme gleichzeitig
in zwei Richtungen, gewöhnlich im rechten Winkel zueinander, aufzunehmen, und aus
der USA.-Patentschrift 2 838 681
sowie aus der deutschen Auslegeschrift
1035 803 ist es bekannt, zwei Röntgenröhren gleichzeitig von einer einzigen
Hochspannungsquelle zu steuern. Da die Dicken der von den beiden Röntgenstrahlen
zu durchdringenden Körpergewebe stark unterschiedlich sein können, ist es erforderlich,
die Röhren mit unterschiedlichen Spannungen zu betreiben, um Röntgenogramme mit
zufriedenstellendem Kontrast von beiden Röhren zu erhalten.
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Verfahren zur Steuerung einer Röntgenröhrenspannung sind in den deutschen
Patentschriften 893 383 und 946 250 beschrieben. Dabei werden Elektronenröhren
in Reihe mit der Röntgenröhre verwendet, wodurch die Röntgenröhrenspannung verändert
werden kann, während der Röntgenröhrenstrom konstant gehalten wird.
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Für den gleichzeitigen Betrieb von zwei Röntgenröhren z. B. für die
Gehirnangiographie oder Angiocardiographie ist es zweckmäßig, wenn man Strom und
Spannung einer Röhre unabhängig voneinander und unabhängig von Strom und Spannung
der anderen Röhre verändern kann, und Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb
ein Röntgenapparat, mit dem eine solche Steuerung durchführbar ist.
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Der Röntgenapparat nach der vorliegenden Erfindung ist deshalb dadurch
gekennzeichnet, daß er Vorrichtungen enthält, die zwischen das Steuergitter und
die Kathode jeder Elektronenröhre eine Steuerspannung legen, die die algebraische
Summe zweier je für sich einstellbarer Spannungskomponenten darstellt, von
denen die eine die gewünschte Differenz zwischen den beiden Röntgenröhrenspannungen
bestimmt und die andere den eingestellten Röhrenstrom für die zweite Röntgenröhre
berücksichtigt, so daß Röhrenstrom und -spannung für die zweite Röntgenröhre unabhängig
voneinander und unabhängig von Röhrenstrom und -spannung der ersten Röntgenröhre
je für sich einstellbar sind.
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In der vorliegenden Beschreibung soll unter einer Elektronenröhre
eine Hochvakuumröhre verstanden werden, die eine heizbare Kathode, eine Anode und
eine oder mehrere andere Elektroden aufweist, wobei eine dieser Elektroden als Steuergitter
benutzt wird, um den Spannungsabfall zwischen der Anode und der Kathode der Röhre
im Betrieb zu steuern. Die Röhre kann z. B. eine Tetrode oder eine Pentode sein,
die als Triode arbeitet.
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Wenn die Anoden-Kathoden-Spannung an einer Triode als Funktion der
Gitter-Kathoden-Spannung bei konstantem Anodenstrom aufgetragen wird, erhält man
eine Reihe von Kennlinien, die einander in der Form ähnlich sind, aber gemäß dem
entsprechenden Anodenstrom gegeneinander verschoben sind. Oberhalb eines relativ
niedrigen Grenzanodenstromes und einer Spannung bestehen diese Kennlinien im wesentlichen
aus parallelen Geraden, die bei gleichen Anodenstromschritten im gleichen
Ab-
stand voneinander liegen.
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Die Kennlinien des Anodenstromes als Funktion der Gitter-Kathoden-Spannung
bei konstanten Anoden
-Kathoden-Spannungen sind ebenfalls ähnlich,
aber gemäß der entsprechenden Anoden-Kathoden-Spannung, bei der sie bestimmt werden,
gegeneinander verschoben. Infolge dieser besonderen Eigenschaft der Kennlinien kann
die für irgendeine Kombination von Anodenstrom und Anoden-Kathoden-Spannung benötigte
Gitter-Kathoden-Spannung als algebraische Summe einer Spannungskomponente, die sich
auf die Anoden-Kathoden-Spannung bezieht, und einer Spannungskomponente, die sich
auf den Anodenstrom bezieht, ausgedrückt werden. Bei Verwendung einer Triode oder
eines Paares von Trioden als Elektronenröhre oder -röhren in Reihe mit der zweiten
Röntgenröhre und bei Anwendung der obenerwähnten Eigenschaften der Trioden-Kennlinien,
ist es möglich, die Anordnung so zu treffen, daß Spannung und Strom der zweiten
Röntgenröhre durch Schalten der entsprechenden Spannungskomponenten direkt und unabhängig
voneinander mit guter Annäherung eingestellt werden können.
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Vorzugsweise werden zwei Trioden verwendet, wobei je eine auf
jeder Seite der zweiten Röntgenröhre angeordnet ist, und sie werden mit gleichen
Steuerspannungen versorgt.
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Die Steuerspannung ist aus einer Wechselspannung zwischen zwei Anzapfungen
eines Transformators oder zweier Transformatoren, die am speisenden Netz liegen,
gebildet, wobei ein erster Wählschalter eine Anzapfung gemäß der erforderlichen
Spannungsdifferenz zwischen den beiden Röntgenröhren und ein zweiter Wählschalter
eine zweite Anzapfung gemäß dem erforderlichen Strom in der zweiten Röntgenröhre
wählt und der zweite Wählschalter direkt mit dem Wählschalter' für den Kathodenheizstrom
der zweiten Röntgenröhre gekoppelt ist, so daß die gekoppelten Wählschalter einerseits
den Röhrenstrom für die zweite Röntgenröhre unabhängig von ihrer Spannung einstellen
und andererseits bei der Einstellung der Röhrenspannung den eingestellten Röhrenstrom
berücksichtigen. Die Steuerspannung
kann der Wechselspannung durch einen IsoUertransformator
und einen Gleichrichter mit Glättkreis ent-nommen werden, und wenn die Kennlinien
der Triode oder der Trioden derart sind, daß bei normalem Betrieb sowohl positive
als auch negative Spannungen am Steuergitter benötigt werden, muß eine geeignete
Vorspannungsquelle in der Gitterschaltung enthalten sein, um auf diese Weise Spannungen
beider Polaritäten erhalten zu können.
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Die erforderlichen Spannungskomponenten können leicht aus den bekannten
Kennlinien der gewählten Triode errechnet werden, oder es können - wenn gewünscht
- die erforderlichen Stellungen der Anzapfungen des Transformators oder der
Transformatoren durch einen Versuch festgelegt werden. Die veröffentlichten
Kennlinien der Röhren sind Mittelwerte; die einzelnen R öhren weichen im
allgemeinen etwas von den veröffentlichten Kennlinien ab. Die Schwankungen werden
jedoch im allgemeinen ausreichend kleine Unterschiede des Röntgenröhrenstromes und
der Röntgenröhrenspannungsdifferenz zur Folge haben, so daß sie keine sichtbare
Veränderung des Kontrastes oder der Belichtung des von dem Apparat hergestellten
Röntgenogramms ergeben. Die Spannungskomponenten, die sich auf die Röntgenröhrenspannungsdifferenz
und auf den Strom der zweiten Röntgenröhre beziehen, sind selbstverständlich in
einem solchen Maße unbestimmt, daß es immer möglich ist, eine willkürliche konstante
Spannung allen Spannungskomponenten des einen Satzes hinzuzufügen und eine entsprechende
konstante Spannung von allen Komponenten des anderen Satzes abzuziehen, ohne dadurch
die Steuerspannung, die durch die algebraische Summe der beiden je von einem
Satz gewählten Komponenten gebildet wird, zu beeinflussen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist F i g. 1 ein vereinfachtes
Schaltdiagramm eines Röntgenapparates gemäß der Erfindung, der für einen gleichzeitigen
Betrieb von zwei Röntgenröhren bei verschiedenen Strömen und Spannungen von einer
einzigen Spannungsquelle geeignet ist, und F i g. 2 eine Abänderung der Schaltung
nach der F i g. 1, die erforderlich ist, wenn die gewählte Triode sowohl
positive als auch negative Werte der Steuerspannung bei ihren Betriebsbedingungen
erfordert.
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Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung wurde für den Betrieb von
zwei Röntgenröhren 1 und 2 bei Wechselstromversorgung von z. B. 240 V und
50 Hz entworfen. Zwei Eingangsklemmen 3 und 4 sind für den Anschluß
an die Versorgungsanlage vorgesehen und ein Paar von Hochspannungseingangsklemmen
5
und 6 ist mit einen Hochspannungsgenerator und einer Schaltschaltung
(in der Figur nicht gezeigt) herkömmlicher Art verbunden, die aus einem Spartransformator
besteht, der mit Spannungswählschaltem versehen ist, die einen Hochspannungstransformator
mit nachfolgender Gleichrichterschaltung versorgen. Die Hochspannungsschaltung umfaßt
Schaltvorrichtungen für die Belichtungsdauer entweder an der Primär- oder an der
Sekundärseite des Hochspannungstransformators. Sie kann ebenfalls eine gewöhnliche
Kompensationsschaltungsanordnung aufweisen. Die an die Klemmen 5 und
6 anordnungsgemäß angelegten Spannungen haben entgegengerichtete und etwa
gleich große Potentiale gegen Erde.
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Die Röntgenröhre 1 ist direkt mit den Klemmen 5
und
6 verbunden, so daß sie mit der vollen Spannung der Hochspannungsquelle betrieben
wird. Die Röntgenröhre 2 liegt an den Klemmen 5 und 6 in Reihe mit
zwei Trioden 7 und 8, die je auf einer Seite der Röntgenröhre
in bezug auf die Hochspannungsklemmen liegen und die es beim Betrieb ermöglichen,
daß die Röhre 2 mit einer niedrigeren Spannung und bei anderem Röhrenstrom betrieben
wird als die Röhre 1. Ein Paar Trennschalter 9 und 10 zwischen
der Röhre 1 und den Hochspannungsklemmen 5 bzw. 6 und ein weiteres
Paar Trennschalter 11 und 12 zwischen der Memme 5 und der Triode
7 bzw. zwischen der Triode 8 und der Klemme 6 ermöglichen es,
auf Wunsch eine der beiden Röntgenröhren vom Hochspannungserzeuger zu trennen, wenn
es erwünscht ist, eine Röntgenaufnahme mit der anderen Röhre allein zu machen. Zwei
Isoliertransformatoren 13 und 14 sind mit den Klemmen 3 und 4 verbunden,
um den Heizstrom für die Kathoden der Trioden 7 bzw. 8 zu liefern,
und zwei weitere Isoliertransformatoren 15 und 16 sind mit den Klemmen
3 und 4 verbunden, um den Heizstrom für die Röntgenröhren 1 bzw. 2
zu liefern, wobei jeder entsprechend in Reihe mit einem Stufenwiderstand
17 bzw. 18 liegt, der durch einen Wählschalter 19 bzw. 20 gesteuert
wird, um den Heizstrom
der beiden Rönigenröhren und deshalb den
von beiden aufgenommenen Anodenstrom unabhän-C, Crig voneinander zu regeln.
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An den Klemmen 3 und 4 liegt ebenfalls eine Spartransformatorwicklung
21 mit Anzapfungen, die mit den Kontakten von zwei weiteren Wählschaltern 22 und
23 verbunden sind, wobei der bewegliche Kontakt des einen Schalters 22 mechanisch
mit dem beweglichen Kontakt des Wählschalters 20 gekoppelt ist, der den Heizstrom
der Röntgenröhre 2 wählt.
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Der Abschnitt der Transformatorwicklung 21 zwischen den von den Schaltersätzen
22 und 23 gewählten Anzapfungspunkten ist mit den Primärwicklungen von zwei
Isoliertransformatoren 24 und 25
verbunden, von denen jede Sekundärwicklung.einen
Gleichrichter 26 bzw. 27 speist. Die Gleichspannungen von den Gleichrichtern
26 und 27 werden durch Glättungsschaltungen - bestehend aus
den Kapazitäten 28 bzw. 29 und den dazu parallel geschalteten Widerständen
30 bzw. 31 - geglättet, und diese Spannungen werden derart zwischen
die Kathoden und die Steuergitter der Trioden 7 und 8 angelegt, daß
die Steuergitter in bezug auf die Kathoden negatives Potential haben.
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Bei Betrieb wird die Hochspannungsquelle so eingestellt, daß sie die
korrekte Spannung für die Röntgenröhre 1 (das ist die Röhre, die bei höherer
Spannung arbeitet) und für die korrekete Belichtung mittels beider Röhren liefert.
Der Anodenstrom der Röhre 1 wird durch den Wählschalter 19 und der
Anodenstrom der Röhre 2 durch die gekoppelten Schalter 20 und 22 eingestellt. Mit
dem Wählschalter 23 wird die erforderliche Differenz der Anodenspannungen
zwischen der Röhre 1 und der Röhre 2 gewählt.
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Die richtige Arbeitsweise der Schaltung hängt von der richtigen Wahl
der Anzapfungspunkte an der Spartransformatorwicklung 21 in Beziehung zu den Kennlinien
der Trioden 7 und 8 und von den Eigenschaften der Kennlinien dieser
Röhren ab, durch die für jede Röhre die für irgendeine Kombination von Anodenstrom
und Anoden-Kathoden-Spannung erforderliche Gitter-Kathoden-Spannung als Summe einer
Spannungskomponenten, die sich auf den Strom bezieht, und einer Spannungskomponenten,
die sich auf die Anoden-Kathoden-Spannung bezieht, ausgedrückt werden kann. Auf
diese Weise wird, um die Spannung, die an den Trioden 7 und 8 abgefallen
ist, zu erhöhen, der Wählschalter 23 gedreht, um die Wechselspannung, die
auf die primären Wicklungen der Transformatoren 24 und 25 gegeben wird, zu
erhöhen. Dies hat ein Ansteigen der negativen Steuerspannung, die auf die Gitter-Kathoden-Strecke
der Trioden 7 und 8 gegeben wird, zur Folge, wodurch die erforderliche
Zunahme der an diesen Röhren abfallenden Spannung bewirkt wird.
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Auf ähnliche Weise wird zur Vergrößerung des Stromes durch die Röntgenröhre
2 der Abschnitt des Widerstandes 18, der mit dem Röhrenheiztransformator
16 in Reihe liegt, verringert, indem die Einstellung des Wählschalters 20
und gleichzeitig die Einstellung des Wählschalters 22 verändert wird, wodurch die
Wechselspannung, die auf die Primärwicklungen der Transformatoren 24 und
25 gegeben wird, verringert wird. Dadurch verringert sich die negative Steuerspannung,
die an die Steuergitter der Trioden 7 und 8 geliefert wird, und erlaubt
den Trioden, bei dem gleichen Anoden-Kathoden-Spannungsabfall wie vorher, aber bei
höherem Strom zu arbeiten.
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Der Anodenstrom der Röntgenröhre 1 kann selbstverständlich
unabhängig von der Röntgenröhre 2 durch den Wählschalter 19 verändert werden.
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In der in F i g. 1 gezeigten Anordnung kann die zwischen Steuergitter
und Kathode einer jeden Triode gelegte Steuerspannung von Null auf einen negativen
Wert verändert werden. In einigen Fällen kann es günstig sein, eine Triode zu verwenden,
die für bestimmte Betriebszustände ein gegenüber der Kathode positives Stuergitter
erfordeft Um dies zu erreichen, kann zwischen jede der Gleichrichter- und Glättungsschaltungen
und ihre entsprechende Triode eine Schaltung eingefügt werden, die dafür vorgesehen
ist, eine konstante Vorspannung in einer solchen Richtung abzugeben, daß sie das
Gitter gegenüber der Kathode positiv macht. F i g. 2 zeigt eine für diesen
Zweck entworfene Abänderung der Schaltung der F i g. 1.
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Der in F i g. 2 gezeigte Teil der Schaltung befaßt sich mit
der Erzeugung der Steuerspannung, die an die Triode 7 geliefert wird. Eine
genau gleiche Ab-
änderung wird in dem Teil der Schaltung vorgenommen, der
die Triode 8 mit der Steuerspannung versorgt.
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Der in F i g. 2 erscheinende Teil der Schaltung besteht aus
der Triode 7 und dem Transformator 24 mit seinem Vollwellengleichrichter
26. Diesem Gleichrichter liegt ein Widerstand 32 (entsprechend dem
Widerstand 30 in F i g. 1) parallel, und in Reihe dazu liegt ein weiterer
Vollwellengleichrichter 33
der von den Hauptversorgungsklemmen 3 und
4 von einem Isoliertransformator 34 mit Spannung versorgt wird. Diesem Gleichrichter
liegt ebenfalls ein Widerstand 35 parallel, und die totale Spannung, die
an den beiden Gleichrichtern 26 und 33 in Reihe erscheint, wird zwischen
Kathode und Steuergitter der Triode 7 gegeben. Ein Glättungskondensator
36 mit ausreichender Kapazität, um die Welligkeit der Spannung auf einen
vernachlässigbaren Wert zu reduzieren, liegt parallel zu den Widerständen
32 und 35.
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Der Gleichrichter 33 liefert eine positive Gitter-Vorspannung
gegenüber der Kathode der Triode 7
und wirkt auf diese Weise der von dem Gleichrichter
26 entwickelten Spannung entgegen. Da die Primärwicklung des Transformators
34 von einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird, erzeugt dieser Gleichrichter
eine konstante Spannung, und das übersetzungsverhältnis des Transformators 34 ist
derart, daß diese konstante Spannung gleich der maximalen positiven Steuerspannung
ist, die beim Betrieb auf das Steuergitter der Triode 7 geliefert werden
muß.
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Der Betrieb der in F i g. 2 gezeigten abgeänderten Schaltung
ist genau gleich dem mit Bezug auf F i g. 1
beschriebenen, nur daß bei großen
Werten des Röhrenstromes durch die Röntgenröhre 2 und kleinen Werten der Spannungsdifferenz
zwischen den Röntgenröhren die Wechselspannung, die dem Spartransformator 21 entnommen
und von dem Gleichrichter 26 gleichgerichtet wird, nicht ausreicht, um die
von dem Gleichrichter 33 aelieferte feste Vorspannung zu überwinden.
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Unter diesen Umständen ist deshalb die Steuerspannung, die auf das
Gitter der Triode 7 gegeben wird, positiv gegenüber ihrer Kathode, und auf
ähnliche Weise ist die Spannung, die von dem anderen veränderten Teil der Schaltung
(in der Figur nicht
gezeigt) auf das Gitter der Triode
8 gegeben wird, positiv gegenüber ihrer Kathode.
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Die für verschiedene Werte der Anoden-Kathoden-Spannung und des Anodenstromes
in den besehriebenen Schaltungsanordnungen erforderlichen Steuerspannungen für eine
bestimmte Elektronenröhre werden in der folgenden Tabelle
1 entsprechend
den veröffentlichten Kennlinien dieser Röhre angegeben.
| Tabelle 1 |
| Erförderlicher Steuerspannung bei Anodenströmen von |
| Spann=pabfgll |
| pro Röhre 50 n-4A 100 niA
150 mA 200 mA 250 nA 300 mA |
| 0,5 kv +30 +40 +50 +60 +70 +80 |
| 10 kV -20 -10 0 +10 +20 +30 |
| 20 kV -70 -60 -50 -40 -30 -20 |
| 30 kV -120 -110 -100 -90 -80 -70 |
Aus der, obigen Tabelle ist ersichtlich, daß die Gitterspannungsdifferenzen entsprechend
irgendeinem bestimmten Schritt in der Anoden-Kathoden-Spannung unabhängig vom Anodenstrom
und in ähnlicher Weise jene entsprechend irgendeinem Schritt in dem Anodenstroin
unabhängig von der Anoden-XathedeneSpamung sind. Dadurch ist es möglich, alle in
der Tabeliel aufgeführten Gitterspannungeil als die Summe eifter Spannungskomponente,
die sich auf die Anoden-Kathoden-Spannung, wie sie in der zweiten Spalte von Tabelle
II gezeigt wird, beziebt, und einer Spannunggkoraponente, die sich auf den Anodenstrom,
wie in der zweiten Spalte der TabelleIH gemigt wird, bezieht, auszudrücken.
| Tabelle II |
| Brfqfflorligwr Steuerspannungs- |
| gsabfall pro Uhre komponente |
| 0,5 kv 0 |
| 10 kV -50 |
| 20 kV -100 |
| 30 kV -150 |
| Tgbelle 111 |
| Röhrenstrom Swuenpemnungs- Spannungskomponente |
| kmieiwute bei + 80 V Verspannung |
| 50 MA +30 -50 |
| 100 niA +40 -40 |
| 150 MA +50 -30 |
| 200 mA +60 -20 |
| 250 mA +70 -10 |
| 300 MA +SO 0 |
Aus der Tabelle
111 ist zu ersehen, daß die Spannungskomponenten bis
+ 80 Volt reichen, wobei das Pluszeichen bedeutet, daß das Gitter gegenüber
der Kathode positiv Ist. Die in F i
g. 2 gezeigte Schaltung muß deshalb in
der Lage sein, eine positive Vorspannung an dem Gleichrichter
33 von
80 Volt zu erzeugen, was dadurch erreicht wird, daß das übersetzungsverhältnis
des Transformators 34 entsprechend gewählt wird. Die Anzapfungen, die von dem WählschgIter
22 ausgewählt werden, müssen deshalb derart sein, daß sie an dem Gleichrichter26
die Spannungen erzeugen, die in der dritten Spalte der TabelleI1I gezeigt sind,
und die Anzapfungen, die von dem Wählschalter
23 gewählt werden, müssen derart
sein, daß sie an diesem Gleichrichter die in der zweiten Spalte der Tabelle II gezeigten
Spannungskomponenten erzeugen.
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Soll die Röntgenröhre 2 bei einem Strom von 200 mA und bei
einer Spannung, die um 20 kV
niedriger ist als die der Röhre 1, betrieben
werden, so muß der Spannungsabfall an jeder Triode 10 kV betragen, und die
hierfür erforderliche Steuerspannung beträgt + 10 Volt. Sie wird durch eine
positive feste Vorspannung von dem Gleichrichter 33 in Höhe von
80 Volt und durch eine Spannung von 70 Volt in entgegengesetzter Richtung
vom Gleichrichter 26 erzeugt, wobei diese 70 Volt über den Transformator
24 von einem Teil der Spartransformatorwicklung 21 entnommen werden, der von den
Wählschalter 22 und 23 ausgewählt wird, und der
Schalter 22 einen Teil
der Wicklung wählt, der 20 Volt entspricht, und der Schalter 23 einen zusätzlichen
Teil der Wicklung wählt, der 50 Volt entspricht, beide von dem Anzapfungspunkt
37 (F i g. 1)
aus gemessen, der als ein Endanzapfpunkt jedem dieser
Schalter gemeinsam ist und so einen Nullausgangspunkt dieser Spartransformatorwicklung
darstellt.
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Der niedrigste Spannungsabfall, der in der Praxis leicht an jeder
Röhre zu erhalten ist, beträgt 0,5 kV,
was einer Differenz der Röhrenspannungen
von 1 kV
entspricht. Die in diesem Fall erhaltenen Röntgenogramme unterscheiden
sich nicht wesentlich von denen, die bei Betrieb der beiden Röhren mit der gleichen
Spannung erhalten werden.