DE1191048B - Schutzvorrichtung fuer Roentgenroehren mit Drehanode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g -20/06

Nummer: 1191048

Aktenzeichen: P 29348 VIII c/21 g

Anmeldetag: 7. Mai 1962

Auslegetag: 15. April 1965

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Drehanoden-Röntgenröhren, die so ausgebildet ist, daß eine Einschaltung der Röntgenröhre nur dann erfolgen kann, wenn die Drehgeschwindigkeit der Anode oberhalb eines vorbestimmten Mindestwertes liegt.

Röntgenröhren mit Drehanode werden mit so hohen Leistungen betrieben, daß bei nicht vorschriftsmäßigem Drehanodenlauf, insbesondere dann, wenn die Elektronen kontinuierlich auf dieselbe Stelle der Anode auftreffen, der Brennfleck sich überhitzt, wodurch sich Beschädigungen der Anode der Röntgenröhre ergeben. Bei vorschriftsmäßiger Drehung der Anode ändert sich stetig die Auftreffstelle der Elektronen auf der Anode, und dadurch erfolgt eine weitgehende Ableitung der an der Anode durch die auftreffenden Elektronen erzeugten Wärme. Diese Wärmeableitung ermöglicht es, eine Drehanoden-Röntgenröhre mit höheren Leistungen zu betreiben als eine Röhre mit feststehender Anode.

Daher ist eine Vorrichtung erforderlich, die das Einschalten der Drehanoden-Röntgenröhre zwecks Aufnahme dann verhindert, wenn die Anode mit einer unterhalb eines vorgeschriebenen Mindestwertes liegenden Drehgeschwindigkeit rotiert.

Es ist bereits bekannt, bei Röntgenröhren, deren Drehanode durch einen Induktionsmotor in Drehung versetzt wird, welcher zwei parallel geschaltete, phasenversetzt erregte Statorwicklungen aufweist, parallel zu dem mit der einen Statorwicklung in Serie geschalteten Kondensator ein Relais anzuordnen und auch parallel zu dieser Statorwicklung ein weiteres Relais anzuordnen, deren gesteuerte Kontakte in Serie mit dem Aufnahmerelais liegen und eine Betätigung des letzteren nur zulassen, wenn sich vorgegebene Spannungen an dem Kondensator und der genannten Statorwicklung ausbilden. Bei einer derartigen Anordnung beruht die Schutzwirkung aber nicht direkt auf der Rotation der Anode, so daß kein zuverlässiges Kriterium gebildet wird, ob sich die Anode auch tatsächlich in vorschriftsmäßiger Rotation befindet.

Hauptzweck der Erfindung ist es, eine neuartige und verbesserte Vorrichtung zum Schutz der Drehanode einer Röntgenröhre zu schaffen, die auf die Leistung anspricht, die durch die Spannung einer die Anodenrotation bewirkenden Erregerwicklung und die Stromstärke einer anderen derartigen Erregerwicklung induziert wird und die dazu verwendet wird, den Röntgenaufnahmestromkreis zu schließen. Die Rotation der Drehanode wirkt auf die an den Statorwicklungen liegenden Spannungen zurück. Im

Schutzvorrichtung für Röntgenröhren
mit Drehanode

Anmelder:

Picker X-Ray Corporation Waite Manufacturing Division, Inc., Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

William Robert McLaughlin, Willoughby, Ohio

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1961 (111976) --

Ruhezustand der Drehanode sind die an den Statorwicklungen liegenden Spannungen um 90° phasenverschoben. Beginnt die Anode jedoch zu rotieren, so verdreht die erzeugte gegenelektromotorische Kraft den Phasenwinkel gegenüber dem im Ruhezustand sich ergebenden Phasenwinkel von 90°. Solange die beiden Wicklungen um 90° phasenverschoben erregt werden, ist die sich aus der an der einen Statorwicklung liegenden Spannung und dem durch die andere Wicklung fließenden Strom gegebene Leistung gleich Null. Beginnt dagegen die Anode sich zu drehen, so wird infolge des geänderten Phasenwinkels eine entsprechende Leistung durch die an der einen Statorwicklung sich ausbildende Spannung und die Stärke des die andere Statorwicklung durchfließenden Stromes erzeugt. Auf dieser Erkenntnis beruht die erfindungsgemäße Vorrichtung. Eine Schutzvorrichtung für Röntgenröhren mit Drehanode, die das Anlegen der Hochspannung an die Röntgenröhre nur dann zuläßt, wenn die durch zwei parallel geschaltete, mittels einer Serienkapazität im Stromkreis der einen Wicklung phasenversetzt erregte Erregerwicklungen erzeugte Drehgeschwindigkeit der Anode oberhalb eines vorbestimmten Mindestwertes liegt, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß an die Erregerwicklungen des Antriebsmotors eine Phasenwinkelvergleichs-

509 539/279

einrichtung angeschaltet ist, die die Hochspannungsanordnung für die Röntgenröhre so beeinflußt, daß die Röhre erst dann an Hochspannung gelegt werden kann, wenn ein vorbestimmter Phasenunterschied zwischen den beiden Erregerwicklungen auftritt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Phasenwinkelvergleichseinrichtung aus einem an die eine Erregerwicklung angeschalteten spannungsempfindlichen Teil und einem an die zweite Erregerwicklung angeschalteten stromempfindlichen Teil, wobei zweckmäßigerweise der spannungsempfindliche Teil zu der erstgenannten Erregerwicklung parallel geschaltet ist und der stromempfindliche Teil mit der zweiten Erregerwicklung in Reihe geschaltet ist.

In der einfachsten Form kann diese den Erfindungsgedanken verwertende Einrichtung einfach ein Wattmeter mit Kontakten auf der Anzeigenadel und der Anzeigeskala sein. Diese Kontakte schließen einen elektrischen Stromkreis, sobald die Leistung einen vorbestimmten Mindestwert, beispielsweise 50 Watt, erreicht. Im geschlossenen Zustand schließen die Kontakte ein Relais, das dafür sorgt, daß der Röntgenaufnahmekreis geschlossen werden kann.

Die Einrichtung ist in der denkbar einfachsten Weise so ausgebildet, daß gleichwohl sämtliche möglichen Variablen, die den Betriebszustand der Drehanodenröhre beeinflussen, berücksichtigt werden. Beispielsweise spiegelt die Leistung sowohl die Temperatur der Röhre als auch die Drehgeschwindigkeit wider, und zwar deshalb, weil die Änderung des Phasenwinkels durch die Größe der erzeugten gegenelektromotorischen Kraft gesteuert wird. Diese gegenelektromotorische Kraft ist eine Spannung, die in den Wicklungen durch den im Anker der Drehanode fließenden Strom induziert wird. Die Größe der induzierten gegenelektromotorischen Kraft hängt aber sowohl von der Drehgeschwindigkeit als auch von der Stärke des im Anker fließenden Stromes ab. Die Stromstärke im Anker fällt mit wachsendem Widerstand ab. Ein Temperaturanstieg im Anker hat ein Anwachsen des Widerstandes und damit ein Abfallen der gegenelektromotorischen Kraft zur Folge. Ebenso wird bei Erniedrigung der Drehgeschwindigkeit die Größe der gegenelektromotorischen Kraft verringert.

Die Verwendung eines die Änderung des Phasenwinkels berücksichtigenden Systems bringt einen weiteren hervorragenden Vorteil mit sich. Da die induzierte gegenelektromotorische Kraft mit steigender Ankertemperatur abfällt, liegt die wirksame Mindestdrehgeschwindigkeit der Anode bei kalter Röhre niedriger als bei durch langdauernden Gebrauch erhitzter Röhre. Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt daher eine Aufnahme bei heißer Röhre nur dann zu, wenn die untere Drehgeschwindigkeitsgrenze höher liegt als der bei kalter Röhre zulässige Mindestwert.

Die zuletzt erwähnte Veränderlichkeit der Mindestdrehgeschwindigkeit bietet sich besonders für diejenigen derzeit üblichen Röntgenröhrenausführungen an, bei denen die Lager so bemessen sind, daß sie nachgeben und folglich mit geringerer Reibung arbeiten, wenn die Röhre sich zunehmend erhitzt. Das heißt, bei den betreffenden, derzeit handelsüblichen Röntgenröhrenausführungen ist, wenn die Röhre einwandfrei arbeitet, die Drehgeschwindigkeit im kalten Zustand kleiner als im heißen Zustand.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre verwendet, die auf die Größe der durch die beiden Wicklungen induzierten Leistung in der oben beschriebenen Weise anspricht. Sobald die diese Röhre steuernde Energie einen vorbestimmten Mindestwert erreicht, wird die Röhre gezündet, dadurch ein Schaltrelais erregt und dessen Kontakte geschlossen. Alsdann kann eine Röntgenaufnahme

ίο vorgenommen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild, das die wesentlichen Erfindungsmerkmale veranschaulicht, und

F i g. 2 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der Zeichnung sind zwei parallelgeschaltete Erregerwicklungen 10, 11 gezeigt. Es handelt sich

ao dabei um die Wicklungen eines Zweiphasen-Induktionsmotors, der dazu dient, die Anode einer Drehanoden-Röntgenröhre in Drehung zu versetzen. Die Erregerwicklungen 10, 11 sind über einen Leiter 12 an die eine Klemme einer Wechselstromquelle L₁

as angeschaltet. Eine Verbindung zwischen den Erregerwicklungen 10,11 und der anderen Klemme der Wechselstromquelle L₁ wird durch Leiter 13 bzw. 14 hergestellt.

In der Leitung 13 liegt ein mit der Wicklung 10 in Reihe geschalteter Phasenschieberkondensator 15. Dieser Kondensator sorgt dafür, daß die Erregerwicklungen 10 und 11 um 90° phasenverschoben sind, wenn die Anode sich im Ruhezustand befindet. Beginnt die Anode sich zu drehen, so ruft die in den Erregerwicklungen induzierte gegenelektromotorische Kraft eine Änderung dieses Phasenwinkels hervor. Diese Änderung des Phasenwinkels wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung ausgenutzt.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung, die den Grundgedanken der Erfindung veranschaulicht, gezeigt. In dieser Einrichtung ist die Spannungswicklung 17 eines Wattmeters 18 mit der Erregerwicklung 10 parallel geschaltet. Die Stromwicklung 19 des Wattmeters liegt in der Leitung 14 in Reihe mit der Erregerwicklung 11. Die auf der Skala 20 des Wattmeters angezeigte Leistung ist eine Funktion der Spannung in der Erregerwicklung 10 und der Stromstärke in der Erregerwicklung 11.

Die so erzeugte Leistung kann mit Hilfe der üblichen Formel: Leistung ist gleich Spannung mal Stromstärke mal Cosinus Theta, wobei Theta der Phasenwinkel ist, berechnet werden. Da der Phasenwinkel im Ruhezustand der Vorrichtung 90° beträgt, ist der Cosinus dieses Winkels Theta Null, so daß auch die Leistung Null ist. Wenn die Anode die volle Drehgeschwindigkeit erreicht, verringert sich dieser Phasenwinkel auf ungefähr 45°, so daß Cosinus Theta im Maximum ungefähr gleich 0,5 ist. An diesem Punkt erreicht die Leistung ihr Maximum, das in der Größenordnung von 200 Watt liegen kann.

Auf der Vorderseite der Wattmeterskala 20 ist ein

länglicher Kontakt 22 angeordnet. Dieser Kontakt ist so bemessen, daß er eine elektrische Verbindung mit einem auf der Anzeigenadel 23 befindlichen Kontakt herstellt. Und zwar wird die Verbindung innerhalb eines bestimmten Leistungsbereiches von beispielsweise 50 bis 200 Watt hergestellt. Der Kontakt auf der Skala und der Kontakt auf der Nadel sind

an ein Schaltrelais 24 angeschaltet. Wenn durch Kontaktgabe der Kontakte der Stromkreis geschlossen wird, so wird das Relais durch von einer Quelle L₂ gelieferte elektrische Energie erregt. Dadurch wird der Schalter 25 geschlossen, der seinerseits den Röntgenaufnahmestromkreis schließt und die schematisch bei 27 angedeutete Röntgenröhre mit der für die Aufnahme oder Belichtung erforderlichen Energie beliefert.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform, die eine Verwertung sämtlicher Vorteile der Erfindung ermöglicht, gezeigt. In diesem Falle dient das Wattmeter 18' lediglich dazu, eine sichtbare Anzeige des Betriebszustandes der Röntgenröhre zu liefern. Die Funktion des Wattmeters nach Fig. 1 übernimmt eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre 30. Ferner ist ein Stromumformer 32 vorgesehen.

Das Gitter 31 der Röhre 30 und deren Kathode 36 sind an die Sekundärwicklung 33 des Stromumformers 32 angeschaltet. Die Primärwicklung 34 des Stromumformers 32 liegt, ebenso wie die Stromwicklung 19 des Wattmeters 18, in Reihe mit der Erregerwicklung 11. Die Anoden-Kathoden-Strecke der Röhre 30 ist in ähnlicher Weise wie die Spannungswicklung 17 des Wattmeters 18 mit der Erregerwicklung 10 parallel geschaltet. Das heißt, ein Leiter 35 verbindet die Kathode 36 mit der einen Klemme der Erregerwicklung 10, während ein Leiter 37 die Anode 38 mit der anderen Klemme der Wicklung 10 verbindet.

Das die Aufnahme steuernde Relais 40 entspricht in Zweck und Arbeitsweise dem Relais 24 nach Fig. 1 und ist in diesem Falle an den Leiter37 angeschaltet. Wird die Röhre 30 oberhalb eines vorbestimmten Mindestpegels durch den vom Umformer 32 gelieferten Strom und die von der Parallelschaltung mit der Erregerwicklung 10 gelieferte Spannung gesteuert, so zündet die Röhre, das Relais 40 wird erregt und dadurch ein Zweipolschalter 41 geschlossen, der den Röntgenaufnahmestromkreis 42 erregt. Es gibt Fälle, in denen der Arzt die Röntgenröhre absichtlich überlasten und eine Aufnahme vornehmen möchte, obwohl er weiß, daß die Drehanode nicht ordnungsgemäß läuft. Um eine solche absichtliche Überlastung zu ermöglichen, ist ein von Hand zu betätigender Übersteuerungsdruckschalter 45 vorgesehen, der mit dem Relaisschalter 41 parallel geschaltet ist. Der eine Röntgenuntersuchung vornehmende Arzt kann durch ein absichtliches Schließen des Schalters 45 den Regelmechanismus übersteuern bzw. ausschalten und den Röntgenaufnahmestromkreis schließen.

Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, daß bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 ein stärkerer elektrischer Energiefluß erforderlich ist, um die Zündung der Röhre 30 einzuleiten, als um den gezündeten Zustand aufrechtzuerhalten. Bis zu einem gewissen Grade kann eine Verlangsamung der Anodendrehung während einer Aufnahme in Kauf genommen werden, ohne daß eine Beschädigung der Anode bzw. der Brennfleckbahn befürchtet werden muß. Da eine geringere Energie erforderlich ist, den gezündeten Zustand der Röhre 30 aufrechtzuerhalten, als benötigt wird, um den Zündvorgang in der Röhre auszulösen, bleibt bei einem etwaigen Abfall der dieser Röhre zugeleiteten Leistung das Relais 40 dennoch im erregten Zustand, und zwar obwohl die Drehgeschwindigkeit unterhalb eines Anfangssicherheitswertes liegen kann und obwohl die Anode heiß wird. Das System paßt sich daher bei entsprechender Bemessung sowohl der zu erwartenden Erwärmung der Anode als auch einem etwaigen Drehzahlabfall während einer Aufnahme an. Bei entsprechender Bemessung des Systems wird die Röhre 30 dennoch dann gelöscht und damit das Relais entregt, wenn die Temperatur oder die Drehgeschwindigkeit der Anode einen Wert erreicht, der die Sicherheitsgrenze über- bzw. unterschreitet. Ist eine solche automatische Wiederöffnung des Aufnahmestromkreises erwünscht, so verwendet man lediglich den Schalter 41.

Während normalerweise die beschriebene Ausführung mit automatischer Unterbrechung des Aufnahmestromkreises bei Erreichen eines die Sicherheit nicht mehr gewährleistenden Zustandes der Drehanoden-Röntgenröhre erwünscht ist, werden manche Röntgenologen nicht gewillt sein, mit einer Einrichtung zu arbeiten, die möglicherweise die Röntgenröhre mitten während einer Untersuchung abschaltet bzw. außer Betrieb setzt. Aus diesem Grunde ist über zusätzliche Relaisschaltkontakte 48 ein Relaishaltekreis vorgesehen, der die Röhre 30 kurzschließt. Nachdem diese Röhre 30 gezündet ist und das Relais 40 den Schalter 41 geschlossen hat, bleibt das Relais erregt. Dies geschieht vermittels eines Stromkreises, der vom Leiter 13 über den Leiter 35, den die Relaiskontakte 48 enthaltenden Leiterzug 46 und den Leiter 37 über die Relaiswicklung zum Leiter 12 verläuft. Dieser Stromkreis hält alsdann das Relais so lange erregt, wie die Erregerwicklungen 10, 11 von der Quelle L₁ mit Strom gespeist werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schutzvorrichtung für Röntgenröhren mit Drehanode, die das Anlegen der Hochspannung an die Röntgenröhre nur dann zuläßt, wenn die durrch zwei parallel geschaltete, mittels einer Serienkapazität im Stromkreis der einen Wicklung phasenversetzt erregte Erregerwicklungen erzeugte Drehgeschwindigkeit der Anode oberhalb eines vorbestimmten Mindestwertes liegt, gekennzeichnet durch eine an die Erregerwicklungen des Antriebsmotors angeschaltete Phasenwinkelvergleichseinrichtung, die die Hochspannungsanordnung für die Röntgenröhre so beeinflußt, daß die Röhre erst dann an Hochspannung gelegt werden kann, wenn ein vorbestimmter Phasenunterschied zwischen den beiden Erregerwicklungen auftritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkelvergleichseinrichtung einen an die eine Erregerwicklung (10) angeschalteten spannungsempfindlichen Teil und einen an die andere Erregerwicklung (11) angeschalteten stromempfindlichen Teil aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsempfindliche Teil mit der einen Erregerwicklung (10) parallel geschaltet und der stromempfindliche Teil mit der anderen Erregerwicklung (11) in Reihe geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenwinkelvergleichseinrichtung ein Wattmeter mit einer Spannungswicklung als spannungsempfindlichem

Teil und einer Stromwicklung als stromempfindlichem Teil verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenwinkelvergleichseinrichtung eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre (30) mit Glühkathode dient, bei der die Anoden-Kathoden-Strecke den spannungsempfindlichen Teil und die Gitter-Kathoden-Strecke den stromempfindlichen Teil bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Stromumformer (32) mit einer mit der einen Erregerwicklung (11) in Reihe geschalteten Primärwicklung, wobei die Sekundärwicklung des Stromumformers an die Gitter-Kathoden-Strecke und die andere Erregerwicklung (10) an die Anoden-Kathoden-Strecke der Gasentladungsröhre geschaltet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkelvergleichseinrichrung einen in dem ao die Röntgenröhre einschaltenden Stromkreis liegenden, normalerweise offenen Schalter (41)

schließt und daß zu dem normalerweise offenen Schalter ein von Hand betätigbarer Übersteuerungsschalter (45) parallel geschaltet ist, mit dem die Röntgenröhre auch dann an Spannung schaltbar ist, wenn die Drehanode nicht die normale Drehgeschwindigkeit aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkelvergleichseinrichtung ein magnetisches Schaltrelais mit zwei Kontaktpaaren enthält, von denen das eine Paar in dem die Röntgenröhre einschaltenden Stromkreis und das andere Paar in einem die Unterbrechung des Röhrenbetriebs verhindernden Haltestromkreis des Schaltrelais liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Phasenverschiebung zwischen den beiden Erregerwicklungen bewirkende Kondensator mit der ersten Erregerwicklung (10) in Reihe geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 929 142 966 814.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 539/279 4.65 © Bundesdruckerei Berlin