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Die Erfindung bezieht sich auf einen Impuls-Röntgenapparat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Anwendungsgebiete derartiger Impuls-Röntgenapparate sind die Untersuchungen von hydrodynamischen Erscheinungen mit hohen Geschwindigkeiten, die Physik von Stoß- und Detonationswellen in Flüssigkeiten und Pulvern, sowie der Hochgeschwindigkeitsstoß und das Explosionsschweißen.
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Ein Impuls-Röntgenapparat der genannten Art ist aus der GB-PS 11 47 805 bekannt. Dabei bildet der Innenzylinder zusammen mit der Primärwicklung einen an den Elektroden der Röntgenröhre angeschlossenen Zylinderkondensator, wodurch der Impulsstrom durch die Röntgenröhre gesteigert werden kann.
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Nachteilig dabei ist, daß die Kapazität des Zylinderkondensators aufgrund der Doppelfunktion der Primärwicklung nicht beliebig gesteigert werden kann. Außerdem wird in der schädlichen Kapazität sämtlicher Windungen der Sekundärwicklung gegen die Primärwicklung während der Erzeugung der Hochspannung eine beträchtliche Energiemenge aufgespeichert, die infolge des großen Wertes des induktiven Widerstandes der Sekundärwicklung an die Röntgenröhre bei deren Durchschlag nicht abgegeben wird. Dies verursacht überflüssige Verluste der Nutzleistung des Apparates.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impuls- Röntgenapparat zu schaffen, mit dem die Leistung der emittierten Röntgenstrahlung erhöht werden kann.
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Dies wird bei einem Impuls-Röntgenapparat der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.
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Zur Verminderung der Induktivität des aus Zylinderkondensator und Röntgenröhre bestehenden Entladekreises ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sinnvoll, daß die mit der Sekundärwicklung des Impulstransformators gekoppelten Zylinder des Entladungskondensators an die Röntgenröhre mit Hilfe von Kegelleitern angeschlossen sind.
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Im Zusammenhang damit, daß der Entladungskondensator in Form der zwei koaxial angeordneten Zylinder ausgeführt ist und die Sekundärwicklung zwischen ihnen liegt, ist es zur Vermeidung einer Ladungsspeicherung an den schädlichen Kapazitäten der Windungen der Sekundärwicklung und einer Verzerrung des elektrischen Feldes zwischen den Zylindern des Entladungskondensators zweckmäßig, daß der Wickelschritt der Windungen der Sekundärwicklung des Impulstransformators proportional zur dritten Potenz des Radius der Windung gewählt ist.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Ausführungen des erfindungsgemäßen Impuls-Röntgenapparates sichern eine wesentliche Vergrößerung der Entladekapazität des Zylinderkondensators unter gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Kopplungsfaktors der Transformatorwicklungen, d. h. die Speicherung einer beträchtlichen Energiemenge im Entladungskondensator, gestatten es, die Induktivität des Entladekreises und damit die Dauer des Impulses des Entladestroms über die Röntgenröhre zu verringern und dessen Amplitude zu erhöhen, und vermindern die Verluste der Nutzleistung in den schädlichen Kapazitäten des Apparates.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Impuls-Röntgenapparates in teilweise geschnittener Gesamtansicht,
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Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Impuls-Röntgenapparates,
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Fig. 3 einen Schnitt des Apparates nach Fig. 2.
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Der Röntgenapparat enthält eine Impuls-Röntgenröhre 1, einen mit der Röhre 1 gekoppelten Entladungskondensator 2 und einen Impulstransformator 3. Die Primärwicklung 4 des Transformators 3 ist in Form eines Hohlzylinders ausgeführt und an einen elektrischen Entladungskreis 5 angeschlossen, während die Sekundärwicklung 6 in Form eines Kegelstumpfes ausgeführt, koaxial zur Primärwicklung 4 und innerhalb dieser angeordnet und mit dem Entladungskondensator 2 verbunden ist.
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Der Entladungskondensator 2 besteht aus zwei koaxial angeordneten Zylindern - einem Außenzylinder 7 und einem Innenzylinder 8. Der Außenzylinder 7 ist an die Röntgenröhre 1 angeschlossen, zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 6 des Impulstransformators 3 angeordnet und mit dem Niederspannungsende 9 der Sekundärwicklung 6 des Transformators 3 verbunden. Der Innenzylinder 8 ist ebenfalls an die Röntgenröhre 1 angeschlossen und ist innerhalb der Sekundärwicklung 6 des Impulstransformators 3 koaxial zu dieser angeordnet und mit dem Hochspannungsende 10 der Sekundärwicklung 6 verbunden. Die Kondensatorzylinder 7 und 8 weisen eine größere Länge als die der Primärwicklung 4 bzw. der Sekundärwicklung 6 des Transformators 3 auf, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist.
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In den Kondensatorzylindern 7 und 8 sind Fenster 11 bzw. 12 zum Durchlassen des durch die Wicklungen 4 und 6 des Impulstransformators 3 erzeugten Magnetfeldes ausgeführt. Die Fenster 11 und 12 sind in Form von Öffnungen 13 und 14 ausgeführt, die auf den entgegengesetzten Abschnitten der Zylinder 7 bzw. 8 angeordnet sind, die über die Grenzen der Länge der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 6 hinausgehen. Die auf den entgegengesetzten Abschnitten der Zylinder 7 und 8 befindlichen Öffnungen 13 und 14 sind durch Schlitze 15 bzw. 16 paarweise verbunden.
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Die Zylinder 7 und 8 des Entladungskondensators sind an die Röntgenröhre 1 mit Hilfe von Kegelleitern 17 bzw. 18 angeschlossen.
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Der Wickelschritt der Windungen der Sekundärwicklung 6 des Impulstransformators 3 ist proportional zur dritten Potenz des Radius der Windung gewählt.
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Der elektrische Entladungskreis 5 enthält einen Kondensator 19 und einen Entladeschalter 20, die in Reihe mit der Primärwicklung 4 des Impulstransformators 3 liegen.
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In der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform des Impuls-Röntgenapparates ist beim Entladungskondensator 2 ein weiterer Zylinder 21 vorgesehen, der innerhalb des Innenzylinders 8 koaxial angeordnet und mit dem Außenzylinder 7 elektrisch gekoppelt ist. Die Länge des Zusatzzylinders 21 übersteigt die der Sekundärwicklung 6.
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Im Zylinder 21 (Fig. 2) sind Fenster 22 zum Durchlassen des durch die Transformatorwicklungen 4 und 6 erzeugten Magnetfeldes ausgeführt. Die Fenster 22 sind in Form von Öffnungen 23 ausgeführt, die sich auf den entgegengesetzten Abschnitten des Zylinders 21 befinden, die über die Grenzen der Länge der Sekundärwicklung 6 hinausgehen. Die auf den entgegengesetzten Abschnitten des Zylinders 21 befindlichen Öffnungen 23 sind durch Schlitze 24 paarweise verbunden.
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Die Zylinder des Entladungskondensator können aus Metall oder in Form von Isolierzylindern hergestellt werden, auf deren Oberfläche eine Metallfolie aufgeklebt wird, in der die Fenster ausgeführt werden. Im Röntgenapparat nach Fig. 1 bis 3 kann der äußere Isolierzylinder gleichzeitig als abgedichtetes Gehäuse zur Auffüllung des Impuls-Röntgenapparates mit Transformatoröl, einer anderen Isolierflüssigkeit oder einem Isoliergas dienen.
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Die Arbeitsweise des Impuls-Röntgenapparates ist im folgenden erläutert.
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Bei der Zuführung eines Spannungsimpulses an der Primärwicklung 4 des Impulstransformators 3 entsteht in dieser ein Strom, der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in den Innenraum des Röntgenapparates eindringt. Zur Erhöhung der Kapazität des Entladungskondensators 2 ist die Länge der Zylinder 7 und 8 größer als die Länge der Primär- und der Sekundärwicklung 4 bzw. 6 des Impulstransformators 3 ausgeführt. Das magnetische Wechselfeld erzeugt aber in den Zylindern 7 und 8 Wirbelströme, die der Eindringung des Magnetfeldes in den Innenraum des Apparates entgegenwirken und den Kopplungsfaktor der Transformatorwicklungen verringern. Um dies zu verhindern, sind in den Zylindern 7 und 8 die Fenster 11 und 12 ausgeführt, die die über die Grenzen der Länge der Primär- und der Sekundärwicklung 4 bzw. 6 hinausgehenden Öffnungen 13 und 14 darstellen. Das in diesen Bereichen eine Radialkomponente aufweisende Magnetfeld der Primärwicklung 4 tritt durch die Öffnungen 13 und 14 der Zylinder 7 und 8 in den Innenraum hindurch. Die Axialkomponente des magnetischen Wechselfeldes im Innenraum erzeugt in den Zylindern 7 und 8 Wirbelströme, deren Richtung der Stromrichtung in der Primärwicklung entgegengesetzt ist und die dem Durchgang des Magnetfeldes in Axialrichtung entgegenwirken. Die jedes Paar der Öffnungen 13 oder 14 verbindenden Schlitze 15 und 16 verhindern ein Schließen der Wirbelströme und sichern zusammen mit den Öffnungen 13 und 14 das Eindringen des Magnetfeldes in den Innenraum des Apparates.
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Die Gesamtfläche der Fenster 11 darf nicht unter der Größe des durch den Außenzylinder 7 umschlossenen Querschnittes liegen. Dies gestattet es, in dem durch die Sekundärwicklung 6 eingenommenen Volumen ein in Längs- und Radialrichtung homogenes Magnetfeld maximaler Stärke zu schaffen und einen hohen Kopplungsfaktor für die Primärwicklung 4 und die ersten Windungen der Sekundärwicklung 6 (Windung mit dem Höchstradius) zu gewährleisten.
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Die Fenster 12 im Zylinder 8 sichern das Eindringen des Magnetfeldes in den Zentralteil des Volumens des Apparates und sorgen für eine effektive Kopplung des Magnetflusses mit den Windungen der Sekundärwicklung 6 (Windungen mit dem Kleinstradius).
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In Radialrichtung entstehen in den Zylindern 7 und 8 keine Wirbelströme, weil der durch jedes Paar der Öffnungen 13 und 14 hindurchtretende Magnetfluß diese in entgegengesetzten Richtungen passiert, d. h. der Gesamtfluß durch jedes Paar der Fenster 11 oder 12 ist gleich Null.
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Die Länge der Sekundärwicklung 6 darf nicht die Länge der Primärwicklung 4 überschreiten, damit der durch die Wicklung 4 erzeugte Magnetfluß sämtliche Windungen der Sekundärwicklung 6 durchsetzt. Gleichzeitig muß die Länge der Sekundärwicklung 6 die Länge überschreiten, die die Arbeitsspannung längs der Oberfläche des Isolierkörpers durchschlagen würde, auf dem die Sekundärwicklung 6 angeordnet ist.
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Die Sekundärwicklung 6 ist einlagig mit einem veränderlichen Wickelschritt ausgeführt, der in Richtung des Hochspannungsendes 10 der Wicklung abnimmt. Die Notwendigkeit, die Sekundärwicklung 6 mit veränderlichem Schritt auszuführen, ist durch folgende Ursachen bedingt.
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Zwischen den Zylindern 7 und 8 des Entladungskondensators 2 gibt es eine bestimmte Verteilung des elektrischen Potentials. Zur selben Zeit entsteht an jeder der Windungen der Sekundärwicklung 6 eine Verteilung einer EMK der Induktion, die durch das magnetische Wechselfeld erzeugt wird. Weicht die Potentialverteilung zwischen den Zylindern 7 und 8 des Entladungskondensators 2 von der Verteilung der EMK der Induktion über die Windungen ab, wird das elektrische Feld des Kondensators 2 verzerrt, weshalb an jeder der Windungen der Sekundärwicklung 6 eine elektrische Ladung gespeichert wird. Dies führt zur Speicherung einer beträchtlichen Energiemenge in der schädlichen Kapazität der Sekundärwicklung 6, die bei einem Durchschlag der Röntgenröhre 1 nicht in Strahlung umgewandelt wird. Durch Einführung eines veränderlichen Wickelschrittes der Sekundärwicklung 6 wird erreicht, daß die EMK der Induktion an den Windungen dem Potential entspricht und das elektrische Feld innerhalb des Entladungskondensators 2 nicht verzerrt wird. In diesem Fall ist die Ladung an jeder Windung der Sekundärwicklung 6 gleich Null; Energie wird somit in der schädlichen Kapazität nicht gespeichert, und an den Windungen entsteht keine elektrische Überspannung, was die elektrische Festigkeit des Apparates und seinen Wirkungsgrad erhöht. Bei einem homogenen Magnetfeld im Volumen des Impulstransformators 3 und einer koaxialen Anordnung der Zylinder 7 und 8 des Entladungskondensators 2 muß sich der Wickelschritt proportional zur dritten Potenz des Radius der Windung ändern.
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Die Unterbringung der Sekundärwicklung 6 zwischen den koaxial angeordneten Zylindern 7 und 8 des Entladungskondensators 2 und die Einführung des veränderlichen Wickelschrittes der Sekundärwicklung 6 gestattet es also, die Energieverluste in der schädlichen Kapazität der Sekundärwicklung 6 des Transformators 3 zu beseitigen.
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Die wesentliche Erhöhung der Kapazität des Entladungskondensators 2 führt neben einer Vergrößerung der gespeicherten Energie zur Vergrößerung der Dauer seiner Entladung über die Röntgenröhre, was unerwünscht ist.
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Um dies zu verhindern, ist es zur Erhaltung einer geringen Dauer des Impulses der Röntgenstrahlung und zur Vergrößerung seiner Amplitude notwendig, die Induktivität des Entladekreises wesentlich zu reduzieren. Zu diesem Zweck ist der Außenzylinder 7 über den Kegelleiter 17 mit der Kathode der Impuls-Röntgenröhre 1 und der Innenzylinder 8 über den Kegelleiter 18 mit der Anode der Röntgenröhre 1 verbunden.
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Dank dem oben beschriebenen System der Fenster 11 und 12 kommen die Kegelleiter 17 und 18 außerhalb des Magnetfeldes zu liegen. Deshalb sind sie durchgehend ausgeführt, womit die Induktivität des aus Entladungskondensator und Röntgenröhre bestehenden Entladekreises vermindert, die Dauer eines Lichtblitzes der Röntgenstrahlung wesentlich reduziert und die Intensität gesteigert werden kann.
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Bei der Aufladung des Entladungskondensators 2 auf die Arbeitsspannung wird die Röntgenröhre 1 gezündet und die gesamte in den Zylindern 7 und 8 des Kondensators 2 gespeicherte Ladung fließt über den Entladungsraum der Röntgenröhre 1, wodurch ein Leistungsimpuls der Röntgenstrahlung erzeugt wird.
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Der Impuls-Röntgenapparat nach der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und 3 arbeitet ähnlich wie der oben beschriebene Apparat nach Fig. 1.
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Sein Unterschied besteht darin, daß zur Vergrößerung der Kapazität des Entladungskondensators 2 ins Innere des Zylinders 8 der zusätzliche Zylinder 21 eingeführt ist, der mit dem Außenzylinder 7 elektrisch verbunden ist. Dank den im Zylinder 21 in Form der durch die Schlitze 24 paarweise verbundenen Öffnungen 23 ausgeführten Fenstern 22 dringt das magnetische Wechselfeld in den gesamten Innenraum der Sekundärwicklung 6 des Transformators 3 ein, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Magnetfeldes über den gesamten Querschnitt der Sekundärwicklung 6 gewährleistet wird.
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Hierbei gestattet die Vergrößerung der Stärke des elektrischen Feldes in Richtung der Achse der koaxial angeordneten Zylinder 7, 8, 21, die Kapazität des Entladungskondensators 2 bei geringen Radialmaßen des Zusatzzylinders 21 wesentlich zu vergrößern.
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Der beschriebene Impuls-Röntgenapparat erlaubt es, eine beträchtliche Energiemenge im Entladungskondensator bei einer hohen Arbeitsspannung zu speichern, gewährleistet einen zeitlich kurzen und amplitudenmäßig großen Entladestrom über die Röntgenröhre und hält die Verluste der gespeicherten Nutzenergie geringer. Dies sichert die Erhaltung eines Kurzzeitimpulses der Röntgenstrahlung mit einer hohen Härte und einer großen Leistung und Dosis im Impuls.