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"Schaltungsanordnung zur Einstellung des Aufnahmestroms
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einer Röntgenröhre11 Bei den derzeit gebräuchlichen Röntgengeneratoren
wird der Aufnahmestrom im allgemeinen dadurch eingestellt, daß vor Beginn der Röntgenaufnahme
ein solcher Heizstrom eingestellt wird, daß bei Beginn der Röntgenaufnahme, d.h.
wenn Hochspannung an die Röntgenröhre gelegt wird, der gewünschte Aufnahmestrom
aus dem durch den Heizstrom erhitzten Heizfaden emittiert wird. Zu diesem Zweck
ist im Heizkreis der Röntgenröhre ein in Abhängigkeit vom jeweils eingestellten
Aufnahmestrom veränderbarer Widerstand vorgesehen. Durch einen weiteren, in Abhängigkeit
von der Aufnahmespannung einstellbaren Widerstand
soll dabei die
Abhängigkeit des Aufnahmestromes (bei gegebenem Heizstrom) von der Hochspannung
an der Röntgenröhre während der Aufnahme berücksichtigt werden.
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In der Praxis hängt jedoch der Emissionsstrom bei jeder Röntgenröhre
in anderer Weise vom Heizstrom und von der Aufnahmespannung ab - und zwar auch bei
Röhren des gleichen Typs.
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Deshalb ist noch ein weiterer Widerstand vorgesehen, der beim Auswechseln
einer Röntgenröhre so eingestellt wird, daß bei einer definierten Spannung an der
Röntgenröhre der bei dieser Spannung gerade noch zulässige Wert des Röhrenstromes
gemessen wird.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß bei derartigen Röntgengeneratoren
der eingestellte Aufnahmestrom erheblich von dem tatsächlich die Röntgenröhre durchfließenden
Strom abweicht, was dazu führen kann, daß die Röntgenröhre überlastet wird (wenn
der tatsächliche Aufnahmestrom größer ist als der eingestellte Aufnahmestrom) bzw.
nicht richtig ausgenutzt wird (wenn der tatsächliche Aufnahmestrom kleiner ist).
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Aus der DT-OS 2 448 754 ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Einstellung
des Aufnahmestromes einer Röntgenröhre bekannt mit einem Regelkreis für den Heizstrom,
dem vor Aufnahmebeginn ein vom Aufnahmestrom und von der Aufnahmespannung abhängiger
Heizstrom-Sollwert vorgegeben wird. Dieser Sollwert setzt sich zusammen aus einem
vom Logarithmus des Aufnahmestroms abhängigen ersten Anteil, einem vom Logarithmus
der Aufnahmespannung abhängigen zweiten Anteil und einem vom Produkt der Logarithmen
der Aufnahmespannung und des Aufnahmestromes abhängigen dritten Anteil. Während
der Aufnahme wird der Heizstrom-Sollwert zusätzlich noch durch einen vierten Anteil
beeinflußt, der vom Logarithmus des Aufnahmestromes abhängt.
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Die Genauigkeit, mit der mit dieser Schaltungsanordnung der Aufnahmestrom
einstellbar ist, hängt wesentlich davon ab, inwieweit der Aufnahmestrom tatsächlich
die zugrunde gelegte logarithmische Abhängigkeit von dem Heizstrom und den anderen
Parametern aufweist und mit welcher Genauigkeit der Logarithmus des Aufnahmestromes
gebildet werden kann. In der Praxis sind diese Voraussetzungen nicht exakt erfüllt,
so daß auch hierbei der tatsächliche Aufnahmestrom nicht dem einzustellenden Aufnahmestrom
entspricht. Ein Betrieb mit fallender Last läßt sich nur sehr schwer realisieren,
weil dabei während der Aufnahme, mit Ausnahme des zweiten Anteils, der nur von der
Röhrenspannung abhängt, alle anderen drei Anteile fortlaufend geändert werden müßten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Einstellen
des Aufnahmestroms einer Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltungsanordnung mit einfachen
Mitteln so auszubilden, daß der Aufnahmestrom genau eingestellt werden kann; die
Änderung des Aufnahmestromes während der Aufnahme bei Betrieb mit fallender Last
soll einfach und genau durchführbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen
Maßnahmen gelöst. Grundsätzlich müssen zwei komplette Regelkreise vorgesehen sein.
Da von den beiden Regelkreisen aber immer nur jeweils einer wirksam ist, erlaubt
die in Anspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung die Realisierung der Erfindung
mit geringerem Aufwand.
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Nach längerem Betrieb einer Röntgenröhre kann es vorkommen, daß ein
erheblicher Teil der Heizfadenoberfläche abgedampft ist, so daß der Heizfaden dann
dünner ist. Derselbe Heizstrom hat dann einen größeren Emissionsstrom zur Folge,
weil
der ohmsche Widerstand des Heizfadens größer ist, so daß in
ihm bei gegebenem Heizfadenstrom eine größere elektrische Energie in Wärme umgesetzt
wird. Das kann dazu führen, daß der Strom durch die Röntgenröhre zu Beginn der Aufnahme
relativ stark von dem Aufnahmestrom-Sollwert abweicht; außerdem kann die stärkere
Erhitzung des Heizfadens den Abdampfprozeß beschleunigen, bis der Heizfaden gegebenenfalls
ganz durchbrennt. Dies läßt sich durch die in Anspruch 3 angegebene Weiterbildung
der Erfindung weitgehend verhindern.
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Grundsätzlich könnte der Sollwert des Heizstroms auf ähnliche Weise
erzeugt werden wie der bei der Schaltungsanordnung nach der DT-OS 2 448 754 (ohne
den zusätzlichen vom Logarithmus des Anodenstromes abhängigen Anteil). Allerdings
läßt sich dabei kaum die unterschiedliche Charakteristik verschiedener Röntgenröhren
des gleichen Typs und insbesondere verschiedener Röntgenröhrentypen berücksichtigen.
Dies ist mit der in Anspruch 4 angegebenen Lösung möglich, die vorsieht, daß jeder
Röntgenröhre ein Speicher individuell zugeordnet ist, in dem die bestimmten Wertsndes
Aufnahmestromes und der Aufnahmespannung zugeordneten (Soll-) Werte des Heizstromes
gespeichert sind. Dieser Speicher kann dabei in einen Kleinrechner oder einen Mikroprozessor
eingesetzt werden, der für die verschiedenen Werte des Aufnahmestromes und der Aufnahmespannung
auch die Adresse des Speicherplatzes berechnet, in dem der diesen Werten zugeordnete
Wert des Heizstromes gespeichert ist. Im allgemeinen, d.h., wenn eine analoge Heizstromregelung
vorgesehen ist, muß der ausgelesene (digitale) Wert des Heizstromes dem Regelkreis
über einen Digital-Analog-Qlandler zugeführt werden. Mit Vorteil wird dabei ein
Festwertspeicher verwendet, weil dabei ein Löschen der gespeicherten Werte ausgeschlossen
ist. Dieser Festwertspeicher muß allerdings programmierbar sein, damit der Röhrenhersteller
die Heizstromwerte eingeben kann.
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Das Einschreiben der Heizstromwerte als Funktion des einzustellenden
Aufnahmestromes und der einzustellenden Spannung bedeutet bei der in Anspruch 5
angegebenen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 4 keinen zusätzlichen
Aufwand, weil beim Prüfen der Röhre ohnehin der Emissionsstrom (= Aufnahmestrom)
als Funktion des Heizstromes und der Hochspannung an der Röntgenröhre gemessen wird.
Die gemessenen Werte brauchen dann nur - gegebenenfalls über einen Analog-Digital-Wandler
- in den Speicher eingegeben zu werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 bis 3 und Fig. 2 eine bei der Anordnung
nach Fig. 1 benutzbare Anordnung zur Erzeugung der Heizstrom-Sollwerte.
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Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre 1, die über einen Schalter 2 an in
Serie geschaltete Hochspannungserzeuger 3a und 3b angeschlossen ist, die die Aufnahmespannung
U erzeugen, wenn der Schalter 2 geschlossen ist. Zwischen den in Serie geschalteten
Hochspannungserzeugern 3a und 3b ist ein Widerstand 4 eingeschaltet, der an der
einen Seite geerdet ist, so daß die am anderen Ende gemessene Spannung dem die Röntgenröhre
1 durchfließenden Strom (Aufnahmestrom) proportional ist. Selbstverständlich sind
auch Röntgengeneratoren verwendbar, bei denen das Einschalten der Aufnahmespannung
U nicht im Sekundärkreis (durch den Schalter 2) erfolgt, sondern im Primärkreis.
Die Kathode der Röntgenröhre 1 enthält einen Heizfaden 5, dem über einen Heiztransformator
6 der Heizstrom zugeführt werden kann.
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Der Heizstrom wird durch einen Regelkreis erzeugt, der unter anderem
eine Vergleichsstufe 7 enthält, die an ihrem Ausgang
ein Signal
erzeugt, das von der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert an ihrem Eingang
abhängt. Der Sollwert wird über einen Umschalter 8 zugeführt, der in seiner einen
in der Zeichnung dargestellten Stellung mit einer Klemme 9a verbunden ist, die an
den Ausgang eines nicht näher dargestellten Sollwertgebers für den HeizstromIhsol
angeschlossen ist und der in der anderen Schalterstellung die Klemme 9b kontaktiert,
an der der Sollwert für den Aufnahmestrom (Ia50ll) anliegt. Der Istwert wird der
Vergleichsstufe 7 über einen Umschalter 10 zugeführt, der der Vergleichsstufe in
der in der Zeichnung dargestellten Stellung den Istwert des Heizstromes bzw. eine
dazu proportionale Größe und in der anderen, nicht gezeichneten Schalterstellung
den Istwert des Aufnahmestromes bzw. eine dazu proportionale Größe zuführt.
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Das Ausgangssignal der Vergleichs stufe 7 wird dem einen Eingang einer
Multiplizierschaltung 11 zugeführt, an deren anderen Eingang eine in der Amplitude
konstante Spannung mit einer Frequenz von ca. 500 Hz zugeführt wird. Diese Frequenz
ist einerseits so hoch, daß eine Schwankung des Emissionsstromes im Takt dieser
Frequenz nicht auftreten kann und andererseits so niedrig, daß im Heiztransformator
noch normale Transformatorbleche verwendet werden können. Die Multiplizierstufe
liefert ein Ausgangssignal, das dem Produkt der beiden Spannungen an ihren Eingängen
proportional ist; jedoch wird durch eine Klemmdiode 21 erreicht, daß das Ausgangssignal
der Vergleichsstufe 7 dann, wenn der Istwert größer ist als der Sollwert, auf demselben
Wert festgehalten wird, den es hat, wenn der Sollwert dem Istwert entspricht.
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Infolgedessen erscheint am Ausgang der Multiplizierstufe 11 nur dann
ein (sinusförmiges) Signal, wenn der Sollwert größer ist als der Istwert. Das Ausgangssignal
der Multiplizierstufe 11 wird über einen Verstärker 12 der Basis eines ersten Transistors
13 und - über eine Phasenumkehrstufe 14 -der
Basis eines zweiten
Transistors 15 zugeführt, so daß die beiden Transistoren, zwischen deren Kollektoren
die Primärwicklung des Heizstromtransformators 6 eingeschaltet ist, eine Gegentaktendstufe
bilden, die durch die Primärwicklung des Heizstromtransformators einen Strom treiben,
der der Ausgangsgröße der Multiplizierstufe 11 proportional ist. - Grundsätzlich
kann die Heizstromstellung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und
Istwert auch so erfolgen, wie in der DT-OS 2 448 754 beschrieben.
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Die Mittenanzapfung der Primärwicklung des Heiztransformators 6 ist
mit der Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle 16 und eines an seinem einen
Ende geerdeten Widerstandes 17 verbunden. Der Widerstand 17 wird von den im Gegentakt
auftretenden Strömen der beiden Transistoren 13 und 15 gleichsinnig durchflossen,
so daß an ihm eine Spannung mit einem Gleichanteil entsteht, der dem Istwert proportional
ist.
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Diese Spannung wird von einem Verstärker 18 verstärkt, dessen Verstärkungsfaktor
zweckmäßig entsprechend dem Stromübertragungsfaktor des Heiztransformators 6 gewählt
ist und dessen Ausgang über einen Tiefpaß mit einer Zeitkonstante von z.B. 0,225
sek und dem Umschalter 10 dem Istsrerteingang der Vergleichsstufe 7 zugeführt wird.
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Durch den Einsatz eines Tiefpasses, dessen Zeitkonstante derjenigen
des Heizfadens angepaßt ist, wird erreicht, daß der Heizstrom zunächst einen Wert
annehmen kann, der größer ist als der Sollwert, so daß der Heizfaden sich schneller
auf die gewünschte Temperatur erwärmen kann. - Der Istwert des Heizstromes kann
grundsätzlich auch über einen gesonderten Stromwandler von der Sekundärseite des
Heiztransformators 6 abgenommen werden.
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Die Spannung am Widerstand 4, die dem Aufnahmestrom proportional ist,
wird dem Eingang eines Verstärkers 20 zugeführt, dessen
Ausgang
über den Umschalter 10 an den Istwerteingang der Vergleichsstufe 7 anschließbar
ist. Ein Relais 22, das bei Beginn einer Aufnahme anspricht, schaltet die Umschalter
8 und 10 um und schließt den Schalter 2.
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Parallel zur Primärwicklung des Heiztransformators 6 ist die Primärwicklung
eines Spannungswandlers 23 vorgesehen, an dessen Sekundärwicklung ein Gleichrichter
24 angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal somit der Heizfadenspannung proportional
ist.
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Diese Gleichspannung wird über einen Tiefpaß 25 dem einen Eingang
einer Multiplizierschaltung 26 zugeführt, deren anderer Eingang mit dem Ausgang
des Tiefpasses 19 verbunden ist. Die Multiplizierschaltung 26 bildet somit ein Ausgangssignal,
das der dem Heizfaden zugeführten elektrischen Leistung proportional ist. Dieses
Ausgangssignal wird dem einen Eingang einer Komparatorstufe 27 zugeführt, an deren
anderen Eingang ein dem Maximalwert der Heizleistung entsprechendes Signal anliegt.
Der Ausgang der Komparatorstufe 27 ist mit dem gleichen Eingang der Multiplizierstufe
11 verbunden wie der Ausgang der Vergleichsstufe 7 und bewirkt eine Reduzierung
des Heizstromes, wenn das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 26 größer ist
als das der maximalen Heizleistung entsprechende Signal. Dadurch soll eine thermische
Überlastung des Heizfadens verhindert werden, wenn dieser bereits abgedampft ist,
so daß in ihm infolge des vergrößerten ohmschen Widerstandes eine größere elektrische
Leistung umgesetzt würde, die das weitere Abdampfen des Heizfadens noch beschleunigen
würde.
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Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet folgendermaßen: Vor Beginn
der Aufnahme, während der sog. Vorbereitungszeit, befinden sich die Umschalter 8
und 10 sowie der Schalter 2 in der aus der Zeichnung ersichtlichen Stellung. In
diesem Stadium ist der Regelkreis für den Heizstrom wirksam, der bewirkt, daß der
Heizstrom dem vorgegebenen Heizstrom-Sollwert
1hsoll angeglichen
wird. Bei Beginn der Aufnahme schalten die Umschalter 8 und 10 um und der Schalter
2 schließt. Im Stromkreis der Röntgenröhre fließt dann ein Strom, der am Widerstand
4 eine Spannung erzeugt, die dem Istwert des Aufnahmestromes proportional ist. Diese
wird mit dem eingestellten bzw. eingegebenen Sollwert des Aufnahmestromes verglichen
und falls die beiden Werte voneinander abweichen, wird der Heizstrom solange geändert,
bis die Regelabweichungen ihren Minimalwert erreichen.
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Soll die Röntgenröhre mit fallender Last betrieben werden, bei der
der Aufnahmestrom kontinuierlich oder in Stufen abgesenkt und die Aufnahmespannung
konstant gehalten wird, dann muß der Vergleichsstufe 7 lediglich ein zeitlich abnehmender
Sollwert zugeführt werden, dessen zeitlicher Verlauf dem der Jeweils zulässigen
Röhrenleistung entspricht. Gesonderte Widerstände, die nacheinander während der
Aufnahme in den Heizkreis geschaltet werden und die bei den bekannten Röntgengeneratoren
für diesen Betrieb erforderlich sind, entfallen.
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Grundsätzlich kann der Sollwert des Heizstromes auf die gleiche Weise
erzeugt werden, wie in der DT-OS 2 448 754 beschrieben.
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Allerdings kann damit nur unzureichend berücksichtigt werden, daß
die Kennlinien verschiedener Röntgenröhren erheblich voneinander abweichen. Das
führt dazu, daß zu Beginn einer Aufnahme nicht genau derjenige Heizstrom eingestellt
ist, der eingestellt sein müßte, um beim Anlegen der eingestellten Röhrenspannung
die Emission des gewünschten Aufnahmestromes zu bewirken. Diese Abweichung kann
dann erst während der Aufnahme ausgeregelt werden, was - bei langsamer Regelung
und kurzzeitigen Aufnahmen - zu Fehlern führen kann.
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Eine Anordnung, mit der diese Fehler vermieden werden können, ist
in Fig. 2 schematisch dargestellt. Kernstück dieser Einrichtung
ist
ein programmierbarer Festwertspeicher 30. In diesem Festwertspeicher ist für verschiedene
Aufnahmespannungen U und verschiedene Aufnahme ströme 1a der Wert des für diese
Kombination erforderlichen Heizstromes gespeichert.
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Jeder Speicherplatz enthält also den Wert des Heizstromes für eine
bestimmte Aufnahme spannung und für einen bestimmten Aufnahmestrom. Soll also der
jeweils erforderliche Heizstromwert einer Röntgenröhre für n verschiedene Werte
des Aufnahmestromes und m verschiedene Werte der Aufnahmespannung U gespeichert
werden, sind n x m Speicherplätze erforderlich.
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Der Inhalt jeweils eines Speicherplatzes kann dem Speicherausgang
zugeführt werden und über einen Digital-Analog-Wandler 31 in ein analoges Signal
umgewandelt werden.
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Welcher Speicherplatz jeweils ausgelesen wird, wird durch einen Adressengenerator
32 bestimmt, der aus den an seinen Eingängen zugeführten Werten für den Aufnahmestrom
IaSoll und die Aufnahmespannung U die Adresse desjenigen Speicherplatzes bildet,
in dem der dieser Kombination von Aufnahmespannung und Aufnahmestrom zugeordnete
Heizstrom-Sollwert gespeichert ist. Derartige Adressengeneratoren, die aus einem
Eingangssignal bzw. einer Eingangssignal-Kombination die Adresse eines Speicherplatzes
bilden, in dem ein dieser Kombination zugeordneter Wert gespeichert ist, sind an
sich bekannt. Sein Aufbau braucht daher an dieser Stelle nicht näher erläutert zu
werden. Er kann in einem Rechner oder einem Mikroprozessor enthalten sein, an den
der Speicher 30 angeschlossen wird.
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Der Speicher 30 ist einer bestimmten Röntgenröhre zugeordnet.
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Wird sie ausgewechselt, muß auch er gegen den der neuen Röntgenröhre
zugeordneten Speicher ausgewechselt werde.
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Das Einschreiben der Heizstromwerte in den Speicher 30 erfolgt zweckmäßigerweise
beim Prüfen der Röhre, bei dem ohnehin
die Röhrenkennlinien, d.h.
die für verschiedene Kombinationen von Aufnahmestrom und Aufnahmespannung erforderlichen
Werte des Heizstromes gemessen werden. Diese Meßwerte werden in dem Speicherplatz
eingespeichert, dessen Adresse jeweils der Kombination von Aufnahmestrom und Aufnahme
spannung zugeordnet ist.
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Grundsätzlich können in dem Speicher die Sollwerte des Heizstromes
für eine beliebig große Anzahl von Kombinationen U, Iasoll gespeichert werden. Dies
setzt allerdings einen entsprechend umfangreichen Speicher voraus. Man kann jedoch
mit einem weniger umfangreichen Speicher auskommen, wenn eine lineare Interpolation
zwischen verschiedenen Heizstrom werten vorgenommen wird; in diesem Fall muß der
Adressengenerator mehrere Adressen erzeugen und ein Auslesen der darin gespeicherten
Werte bewirken. Wenn beispielsweise die einzustellende Aufnahmespannung zwischen
zwei Werten der Aufnahmespannung liegt, für die in dem Speicher 30 der Wert des
Heizstromes gespeichert ist, dann müssen die beiden Speicherplätze, in denen diese
benachbarten Aufnahmespannungen (in Kombination mit dem jeweils gewünschten Aufnahmestrom)
gespeichert sind, ausgelesen werden und einer nicht näher dargestellten Interpolationsschaltung
zugeführt werden, die linear zwischen diesen beiden Werten interpoliert. Diese Interpolation
kann ohne weiteres in einem Rechner oder Mikroprozessor vorgenommen werden, der
- wie eingangs erwähnt -auch den Adressengenerator usw. enthält.
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Beim Auswechseln einer Röntgenröhre ist lediglich der ihr zugeordnete
Speicher ebenfalls auszuwechseln. Ein Abgleich vorgang, wie bei den eingangs beschriebenen
derzeit üblichen Röntgengeneratoren, ist nicht erforderlich.
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PATENTANSPRUCHE: