DE1295029B

DE1295029B - Arrangement for stabilizing the anode current of high vacuum discharge vessels

Info

Publication number: DE1295029B
Application number: DE1965H0056190
Authority: DE
Original assignee: BRADACZEK; HANS DIPL PHYS; HOSEMANN
Current assignee: BRADACZEK; HANS DIPL PHYS; HOSEMANN
Priority date: 1965-06-01
Filing date: 1965-06-01
Publication date: 1969-05-14

Description

Es sind bereits verschiedene Methoden zur Stabilisierung des Anodenstromes von Hochvakuum-Entladungsgefäßen bekannt. So wird die Stabilisierung der Heizspannung bzw. des Heizstromes mit Hilfe von magnetischen Spannungskonstanthaltern oder ähnlichen Geräten erreicht. Es ist auch schon bekannt, die Heizspannung bzw. den Heizstrom mit Hilfe von vormagnetisierten Drosseln durch Messung der Abweichungen von einem Sollwert zu regeln. Eine weitere bekannte Methode besteht in der Regelung der Heizspannung bzw. des Heizstromes mit Hilfe eines motorgesteuerten Regeltransformators durch Messung der Abweichungen von einem Sollwert.There are already various methods of stabilizing the anode current known from high vacuum discharge vessels. This will stabilize the heating voltage or the heating current with the help of magnetic voltage stabilizers or similar Devices. It is already known, the heating voltage or the heating current with the help of premagnetized chokes by measuring the deviations from one To regulate the setpoint. Another known method is to regulate the heating voltage or the heating current with the help of a motor-controlled regulating transformer Measurement of deviations from a target value.

Alle diese Methoden haben jedoch Nachteile, und zwar bestehen diese in der relativ geringen Regelgenauigkeit. Bei der zweiten dieser Methoden kommt noch eine starke Frequenzabhängigkeit, eine große Zeitkonstante und ein kleiner Regelbereich hinzu. Bei der dritten Methode läßt sich zwar ein etwas größerer Regelbereich überstreichen, doch ist dafür die Zeitkontante noch größer als bei der zweiten.However, all of these methods have drawbacks, and they exist in the relatively low control accuracy. The second of these methods comes up another strong frequency dependence, a large time constant and a small one Control range. The third method allows a somewhat larger control range over, but the time constant is even greater than with the second.

Bei der ersten Methode kommt als grundsätzlicher Mangel noch hinzu, daß man nicht den Anodenstrom direkt, sondern nur den Heizstrom regeln kann. Da kleinere Schwankungen des Heizstromes mit einer höheren Potenz in den Anodenstrom eingehen, während bei konstantem Heizstrom thermische Änderungen in der Vakuumröhre oder zeitliche Änderungen des Emissionsvermögens der Kathode den Anodenstrom verändern, ist eine Präzisionsregelung des Anodenstromes auf diese Weise unmöglich.With the first method, there is also a fundamental defect, that you cannot regulate the anode current directly, but only the heating current. There smaller fluctuations in the heating current with a higher power in the anode current enter, while with constant heating current thermal changes in the vacuum tube or changes in the emissivity of the cathode over time change the anode current, a precision control of the anode current is impossible in this way.

Es ist auch schon bekannt, Elektronenröhren mittels einer impulsförmigen Gleichspannung zu heizen, um eine Leistungsersparnis und Einrichtung der Brummspannung zu erreichen.It is also already known to use electron tubes by means of a pulse-shaped DC voltage to heat to a power saving and establishment of the ripple voltage to reach.

Die Aufgabe besteht darin, einen konstanten Anodenstrom zu schaffen, der unabhängig ist von Netzspannungsschwankungen, den sich mit der Zeit langsam ändernden Eigenschaften der Heizkathode und der eingestellten Anodenspannung. Es kommt also offensichtlich nicht darauf an und reicht nicht aus, den Heizkreis der Kathode zu stabilisieren, man muß vielmehr den Anodenstrom selbst unter Kontrolle halten. Weiterhin ist es erforderlich, diesen Anodenstrom auf einen wählbaren Sollwert zu stabilisieren. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Heizkathode eine relativ hohe, zeitliche, thermische Trägheit besitzt. Beim Einschalten stellt sich also ein Endzustand erst nach längerer Zeit, oft nach Stunden, ein. Deshalb ist es erforderlich, die Regeleinrichtung zur Vermeidung von Eigenschwingungen mit einem ausreichend kleinen Regelfaktor zu versehen. Da dieser bei größter Netzspannungsschwankung zur Regelung nicht ausreicht, muß weiterhin eine genügend gute Vorstabilisierung der Versorgungsspannung dieser Regelstufe erfolgen.The task is to create a constant anode current, which is independent of mains voltage fluctuations, which slowly increases over time changing properties of the heating cathode and the set anode voltage. It so obviously does not depend on it and is not sufficient, the heating circuit of the To stabilize the cathode, you have to control the anode current yourself keep. It is also necessary to set this anode current to a selectable setpoint to stabilize. Another difficulty is that the heating cathode has a relatively high thermal inertia over time. When switching on it provides a final state only emerges after a long time, often after hours. That's why it is necessary to use the control device to avoid natural vibrations to provide a sufficiently small control factor. Since this is the case with the greatest fluctuation in the mains voltage is not sufficient for regulation, a sufficiently good pre-stabilization must continue the supply voltage of this control stage.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the invention specified in claim 1 solved. Advantageous further developments of the invention are described in the subclaims.

Die Vorstabilisierung in den Stufen I und II vermindert die trotz des Glättungskondensators auftretende Restbrummspannung durch die in ihr vorhandene Rückkoppelung auf etwa 1%o, da diese eine Zeitkonstante hat, die klein gegenüber der Netzfrequenz ist.The pre-stabilization in stages I and II reduces the despite of the smoothing capacitor due to the residual ripple voltage present in it Feedback to about 1% o, since this has a time constant that is small compared to is the mains frequency.

Infolge der relativ großen thermischen Trägheit der Heizkathode treten bei einem höheren Regelfaktor einer rückgekoppelten Regelung Stromschwingungen auf, die sich nur durch eine Verkleinerung des Regelfaktors beseitigen lassen. Ist aber bei stärkeren Netzschwankungen bis 20% zur Erreichung einer hohen Genauigkeit (< 1%o) ein sehr hoher Regelfaktor nötig, so läßt sich dieses nur mit Hilfe einer Vorstabilisierung erreichen. Diese Vorstabilisierung regelt die Netzschwankungen zum größen Teil aus. Da sich aber z. B. der Widerstand des Heizdrahtes einer Röntgenröhre im Lauf der Zeit ändert und insbesondere bei Inbetriebnahme die thermischen Verhältnisse innerhalb der Röhre variieren, würde eine derartige Vorstabilisierung allein die notwendige Anodenstromnetzkonstanz nicht bewerkstelligen können. Es ist deshalb hinter der Vorstabilisierung eine weitere Regelstufe vorgesehen, die eine Einregulierung des Anodenstromes auf einen vorgegebenen oder von außen einstellbaren Sollwert vollautomatisch bewirkt.As a result of the relatively large thermal inertia of the hot cathode occur with a higher control factor of a feedback control, current oscillations occur, which can only be eliminated by reducing the control factor. But is in the case of greater network fluctuations up to 20% to achieve a high level of accuracy (< 1% o) a very high control factor is necessary, this can only be achieved with the help of a pre-stabilization reach. This pre-stabilization largely regulates the network fluctuations. But since z. B. the resistance of the heating wire of an X-ray tube in the course of the Time changes and especially during commissioning the thermal conditions within of the tube, such a pre-stabilization alone would be necessary Can not achieve anode power grid constancy. It is therefore behind the Pre-stabilization a further control stage is provided, which regulates the Anode current to a specified or externally adjustable setpoint value fully automatically causes.

Die Vorteile dieser Anordnung sind: Große Unabhängigkeit gegenüber Netzschwankungen bis zu ±20%, völlige Frequenzunabhängigkeit, sehr kleine Zeitkonstante und hohe Regelgenauigkeit (besser als 1/2 0/00).The advantages of this arrangement are: Great independence from each other Mains fluctuations up to ± 20%, complete frequency independence, very small time constant and high control accuracy (better than 1/2 0/00).

Zur Vermeidung eines Temperatureffekts infolge der Temperaturkoeffizienten der Transistoren und Zenerdioden werden diese in einen mit Öl gefüllten Thermostaten eingebaut.To avoid a temperature effect due to the temperature coefficient The transistors and zener diodes are placed in an oil-filled thermostat built-in.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der A b b.1 und 2 näher erläutert.An embodiment of the invention is described below with reference to the A b b.1 and 2 explained in more detail.

A b b. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer anodenstromstabilisierten Feinstruktur-Röntgenanlage, in A b b. 2 ist das Blockschaltbild der Anordnung dargestellt.A b b. 1 shows schematically the structure of an anode current stabilized Fine structure X-ray system, in A b b. 2 shows the block diagram of the arrangement.

Die Stabilisierungseinrichtung besteht im wesentlichen aus drei Stufen I, I1 und III (A b b. 2). Oftmals besteht die Notwendigkeit, die Anode eines Entladungsgefäßes 4, beispielsweise einer Röntgenröhre in A b b.1, zu erden. Demzufolge ist es erforderlich, daß die Versorgungsspannung der Stabilisierungseinrichtung 3 von 40 V,ff auf Hochspannung liegt. Dies geschieht dann mittels eines Spezialtransformators, der zwei Sekundärwicklungen 1 und 2 besitzt. Die Sekundärwicklung 1 ist gegenüber dem Kern und der Primärwicklung hochspannungsisoliert. Sie ist mit der Hochspannungsseite des Transformators, mit der Sekundärwicklung 2, zu verbinden.The stabilization device essentially consists of three stages I, I1 and III (A b b. 2). Often there is a need to use the anode of a discharge vessel 4, for example an X-ray tube in A b b.1, to ground. It is therefore necessary that the supply voltage of the stabilization device 3 from 40 V, ff to high voltage lies. This is then done using a special transformer with two secondary windings 1 and 2 owns. The secondary winding 1 is opposite the core and the primary winding high voltage insulated. It is connected to the high voltage side of the transformer, with the secondary winding 2 to connect.

Gleichrichter 5, 6 und Kondensatoren 7, 8 glätten die Sekundärspannungen. Durch Regulierung des ohmschen Widerstandes des im Anodenstromkreis liegenden Variators 9 stellt sich bei gegebenem Anodenstrom eine entsprechende Spannung V = R J an den Klemmen 10, 11 ein, die mit der an den Klemmen 12, 13 des Referenzelementes 14 (Zenerdiode, Glimmstrecke, Batterie od. dgl) liegenden Referenzspannung von U0 Volt verglichen wird, wie aus A b b. 2 zu ersehen ist. Der Differenzverstärker 15 regelt seinen Ausgang vollautomatisch so ein, daß vermittels der im Kathodenheizkreis liegenden Röhrenheizung 16 wieder der vorgewählte Anodenstrom J = UOIR fließt, wobei R der ohmsche Widerstand des Variators 9 ist.Rectifiers 5, 6 and capacitors 7, 8 smooth the secondary voltages. By regulating the ohmic resistance of the variator 9 located in the anode circuit, a corresponding voltage V = RJ is established at the terminals 10, 11 for a given anode current. dgl) lying reference voltage of U0 volts is compared, as from A b b. 2 can be seen. The differential amplifier 15 regulates its output fully automatically so that the preselected anode current J = UOIR flows again by means of the tube heater 16 located in the cathode heating circuit, where R is the ohmic resistance of the variator 9.

Der Regelstufe III wird über den Differenzverstärker 15 und die Vorstabilisierungsstufen I und II zugeführte Spannung von der hochspannungsisolierten Sekundärwicklung 1 des Transformators geliefert. Nach der Gleichrichtung durch den Gleichrichter 5 und der Ladung durch den Kondensator 7 erfolgt die Vorstabilisierung 1 durch Vergleich der an Spannungsteiler 17 abgenommenen Spannung mit der Referenzspannung am Referenzelement 18 durch den transistorisierten Differenzverstärker 19. Der Aufbau der Vorstabilisierung 11 ist gleichartig. Es werden dazu der Spannungsteiler 20, das Referenzelement 21 und der Differenzverstärker 22 verwendet.The control stage III is supplied by the high-voltage-isolated secondary winding 1 of the transformer via the differential amplifier 15 and the pre-stabilization stages I and II. After rectification by rectifier 5 and charging by capacitor 7, pre-stabilization 1 takes place by comparing the voltage taken from voltage divider 17 with the reference voltage on reference element 18 by transistorized differential amplifier 19. The structure of pre-stabilization 11 is similar. The voltage divider 20, the reference element 21 and the differential amplifier 22 are used for this purpose.

Der Ausgang der Vorstabilisierung 11 speist dann die bereits oben beschriebene Anodenstromregelstufe III. Eine Zenerdiode 23 schützt den Eingang des Differenzverstärkers 15 gegen Spannungsspitzen. Weicht also im Betrieb die an den Klemmen 10, 11 liegende Spannung U im Anodenkreis von der an den Klemmen 12, 13 liegenden Referenzspannung U, ab, so regelt der Differenzverstärker 15 seinen Ausgang so ein, daß die Heizkathode 16 wieder den vorgewählten Elektronenstrom J = Uo - U für den Anodenstromkreis liefert. Die Genauigkeit der Regelung beträgt bei ±20°/o Netzschwankung lediglich ± 1/E o/oo ohne jegliche Langzeitschwankung.The output of the pre-stabilization 11 then feeds the anode current control stage III already described above. A Zener diode 23 protects the input of the differential amplifier 15 against voltage peaks. If, during operation, the voltage U in the anode circuit at terminals 10, 11 differs from the reference voltage U, at terminals 12, 13 , the differential amplifier 15 adjusts its output so that the heating cathode 16 again receives the preselected electron current J = Uo - U for the anode circuit supplies. The accuracy of the regulation is only ± 1 / E o / oo with ± 20% network fluctuation without any long-term fluctuations.

Claims

Claims: 1. Arrangement for stabilizing the anode current of high-vacuum discharge vessels, in particular X-ray tubes, with which a voltage stabilization is combined with a current stabilization, characterized in that the voltage stabilization after rectification on the secondary side of the filament transformer and with a large control factor takes place and that the anode current flows through a variable resistor and the on this lying voltage across a differential amplifier with one opposite the first smaller control factor is compared with a reference voltage, the occurring voltage difference across a power amplifier for setting a Setpoint for the anode current is used by feedback to the heating current.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the reference voltage switching elements Semiconductors are used.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that all control stages and the reference voltage source are in an oil bath and that this oil bath is kept at a constant temperature.

4. Arrangement according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that this arrangement is at cathode potential lies.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that A power zener diode parallel to the variable resistor as high voltage protection the current stabilization level is.