DE3217901A1

DE3217901A1 - Statisches system zur steuerung der regelintensitaet von roentgenstrahlen-generatoren

Info

Publication number: DE3217901A1
Application number: DE19823217901
Authority: DE
Inventors: Angel Diaz Madrid Carmena; Carlos Manueco Santurtun
Original assignee: General Espanola de Electromedicina SA
Current assignee: General Espanola de Electromedicina SA
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1982-12-02
Also published as: JPS5832399A; ES502249A0; GB2100892A; GB2100892B; ES8302399A1; FR2506111B1; FR2506111A1; IL65771A0; NL8201998A; IL65771A

Description

Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röritgeristrählen-Generatoren

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein statisches System zur Einstellung der Regel-Intensität, also der über eine geschlossene Schleife bzw. einen geschlossenen Regelkreis gesteuerten Intensität, für die Steuerung des Fadenstroms einer Röntgenröhre und, in Verbindung mit der angelegten Hochspannung, zur Erzeugung der Röntgenstrahlen-Emission.

Die Erfindung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der im folgenden auch als"Gleichumrichter" oder Zerhacker bzw. Chopper bzw. Gleichstromsteller bezeichnet werden soll, verwendet wird, der während der Belichtung die Steuerung der Intensität des Stroms, der den Faden durchfließt, sowie des Stroms der Röntgenröhre ermöglicht; außerdem stabilisiert dieser Gleichumrichter statisch die Änderungen der Eingangsspannung, die den Faden speist.

Der bei diesem System verwendete Gleichumrichter steuert die dem Faden-Transformator zugeführte Ausgangsspannung mittels einer variablen Frequenz, die dynamisch eingestellt wird, um diese Spannung auf einem konstanten Wert zu halten. Andererseits ist diese Spannung eine lineare Funktion des Bedarfs der Faden-Steuerschleife und stellt in der Praxis eine konstante Faden-Intensität dar.

:

Diese Steuerschaltung arbeitet bei einer hohen und automatisch einstellbaren Frequenz, im allgemeinen von einem Gleichstrom bis zu 20 kHz, ohne Filterkondensatoren an ihrem Ausgang; die Reaktanz des Gleichumrichters stellt also den einzigen existierenden Filter dar, so daß sich

• AA-

eine sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit auf Änderungen der Faden-Intensität ergibt.

Im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen, insbesondere in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und die Ansprechgeschwindigkeit, bietet dieses Dreifach-Umwandlungssteuersystem mit den Umwandlungsschritten Wechselstrom/ Gleichstrom, Gleichstrom/Gleichstrom und Gleichstrom/Wechselstrom eine wesentliche Verbesserung bezüglich der Steuerung und der Einstellung. Der Vorteil dieses statischen Systems liegt in den hohen Impedanz-Leckströmen einiger Fäden zu anderen Fäden in Röntgenröhren, wobei die Leckströme bei variabler Faden-Intensität etwas geringer sind, wodurch der Bereich der umzuwandelnden Werte merklich verringert wird und sich dadurch eine wesentliche Vereinfachung der notwendigen Steuerung und Schaltungen ergibt; außerdem führt dies aufgrund der Kompression des Bereiches zu einer höheren Genauigkeit in dem System.

Das schwerwiegendste Problem bei der Steuerung der Intensität von Röntgenstrahlen ist auf den Verstärkungsfaktor zurückzuführen, der während der Emission durch den Faden-

, s-trom erzeugt wird. Bei herkömmlichen Röntgenröhren kann eine Veränderung von 1 % in der Intensität des Fadenstroms bei vorgegebenen Bedingungen zu einer Änderung in der Intensität der Röntgenröhre von bis zu 15 % führen, so daß sich eine ungesteuerte und möglicherweise zu hohe Strahlung ergibt, die für den Patienten gefährlich werden würde.

Bei den bisher benutzten, herkömmlichen Systemen werden zur- Steuerung der Fadenspannung ferroresonante Stabilisatoren mit sättigbaren Reaktanzen usw. eingesetzt, die normalerweise bei 50/60 Hz arbeiten. Dabei handelt es sich um Schaltungen mit niedriger Leistung, die eine rela-

/12-

tiv große Energiemenge als Verlust abgeben.

Es besteht im Prinzip auch die Möglichkeit, statt des Stroms auch die Spannung an den Fäden zu steuern; dies bedingt jedoch periodische Einstellungen aufgrund der hohen Leckverluste der Impedanz einiger Fäden zu anderen Fäden in den Röntgenröhren, wodurch der Bereich der Fadenstromwerte merklich zunimmt; außerdem haben diese Systeme eine geringere Genauigkeit.

Der dazu erforderliche, schaltungstechnische Aufwand, also insbesondere die Zahl der Schaltungen und ihrer Verbindungen verringert jedoch die Zuverlässigkeit dieser Systeme, in Zahlenwerten ausgedrückt also die mittlere Zeitspanne zwischen zwei Störungen.

Andererseits werden zwei Fäden ständig im Betrieb gehalten, so daß die doppelte Zahl dieser Schaltungen und zwei gleichzeitig arbeitende Steuersysteme erforderlich sind; dadurch verkürzt sich jedoch die Lebensdauer einer solchen Röntgenröhre.

Außerdem kompensieren diese herkömmlichen Systeme nicht die Verdampfung, insbesondere der Fäden der Röntgenröhren, während der Belichtung, wodurch ein exponentieller Intensitätsabfall aufgrund der Emission durch thermische Ionisierung entsteht, die nach ihrer Einleitung die verbleibende mittlere Energie verringert.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein statisches System zur Steuerung der Intensität einer geschlossenen Schleife bzw. eines Regelkreises zu schaffen, dessen Eigenschaften sich in den folgenden Punkten zusammenfassen lassen:

41 · *

• /θ-

a) Durch Einstellung der Ausgangsspannung die statische Stabilisierung der Änderungen der Eingangsspannung im Bereich von _+ 20 % für jeden Fadentyp;

b) Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Systems zur Steuerung der Stabilisierungsspannung des Fadens, wobei der Betrieb im allgemeinen zwischen Gleichstrom und 20 kHz möglich ist, jedoch auch 50 kHz erreicht werden können. Dieses "Choppersystem" verringert die Energieverluste, wobei die Stabilisierungsschaltung einen Wirkungsgrad im Bereich von 95 % erreicht. Andererseits ergibt sich im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Spannungsstabilisierungssystemen, die beispielsweise sättigbare Reaktanzen, ferroresonante Schaltungen usw. enthalten, eine Verringerung an Volumen, Raum und Kosten im Bereich von 60 %.

cO Das System speist jeden der beiden Fäden der Röntenröhre mittels eines statischen Wechselrichters mit in Gegentaktbetrieb geschalteten Transistoren, die wiederum den Faden-Transformator speisen, der erforderlich ist, um den Niederspannungsteil der Steuerung von dem Hochspannungs-' teil der Röntgenröhre zu trennen. "

Dieser Transistor-Wechselrichter erzeugt einen Wechselstrom in Rechteckwellenform mit einer Frequenz von 400 Hz, dessen effektiver Spannungswert durch das Wandlerausgangssignal in Abhängigkeit von der- gewünschten Fadenintensität definiert ist.

d) Die Genauigkeit der Einstellung der Fadenintensität ist größer als 0,3 I, so daß eine Toleranz im Bereich von 4,5 % für Änderungen in der Emissionsintensität der Röntgenröhre garantiert wird, sobald die zwischen die Kathode und die

Anode der Röhre angelegte Spannung ihren Sollwert erreicht; Diese Spannung wird in kVp angegeben.

e) Die Verdampfung der Röntgenröhre während der Belichtung wird dynamisch kompensiert, wodurch der oben erwähnte, exponentiell Abfall der Intensität vermieden wird, dessen Zeitkonstante üblicherweise bei etwa 130 msec, liegt und auf die Emission durch thermische Ionisierung, zurück* zuführen ist, die nach ihrer Einleitung die verbleibende mittlere Energie verringert.

Dieses statische System zur Steuerung einer geschlossenen Schleife bzw. eines Regelkreises verringert die Zahl der Fadenstromwerte, die für die Einstellung der Intensität der Röntgenstrahlen erforderlich sind, und zwar in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, wobei diese Verringerung für die gleiche Genauigkeit in der Intensität der Röntgenstrahlen höher als 80 % ist.

Die wesentlichen Vorteile dieses Steuerungstyps im Vergleich mit herkömmlichen Steuerungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

a) Die Zahl der Einzelteile der Steuer- und Einstellschal-5 tungen sowie die Streuverluste bei der Emission der Röntgenröhre werden kompensiert und minimal gemacht, wenn das System mit einer geschlossenen Schleife mit doppelter Intensität, der doppelten Anzahl von Fäden und der doppelten Zahl von Röntgenröhren arbeitet, !

. \

b) Eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und der mittleren, störungsfreien Zeit zwischen zwei Störungen, da die Zahl der Bauteile und der Verbindungselemente wesentlich verringert wird; dies muß im Vergleich mit den anderen, her-

kömmlichen Spannungsstabilisierungssystemen gesehen werden, wie beispielsweise sättigbaren Reaktanzen, ferroresonanten Schaltungen usw.

c) Statt wie bei anderen, herkömmlichen Systemen eine Steuerung über die Spannung durchzuführen, wird die Fadenintensität statisch gesteuert, um die Dimensionierung der Steuer- und Einstellschaltungen zu kompensieren und minimal zu machen; dabei können ohne Probleme auch die hohen Impedanz-Streuverluste einiger Fäden zu anderen Fäden in den Röntgenröhren berücksichtigt werden, da diese Streuverluste bei variabler Fadenintensität etwas geringer sind. Dadurch wird eine merkliche Verringerung im Bereich der Fadenstromwerte sowie eine höhere Genauigkeit erreicht.

Dies muß in Verbindung mit der Vereinfachung der Steuerung und der notwendigen Schaltungen gesehen werden, was sich wiederum als merkliche Kostenverringerung auszahlt; gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit des Systems verbessert und damit seine Lebensdauer verlängert.

d) Auch die Röntgenröhre hat eine längere Lebensdauer, da sich die abgegebene Energie im Vergleich mit herkömmlichen Systemen verringern läßt, die ständig die beiden Fäden in Betrieb halten.

e) Es gibt keinerlei Beschränkung in Bezug auf sehr kurze Belichtungszeiten, beispielsweise Belichtungszeiten in der Größenordnung von einer oder mehreren Millisekunden, bei der. Steuerung der Intensität der Röntgenstrahlen, obwohl die· Zeitkonstante der Fäden im allgemeinen im Bereich von 0,7 sek. liegt.

£) die Reproduzierbarkeit der für die Intensität der Röntgenstrahlen erhaltenen Werte wird im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen wesentlich verbessert, und zwar trotz des weiten Wertespektrums und der Techniken, die mit jedem beliebigen Röntgenstrahlengenerator erzielt werden und von dem kVp Bereich, der Belichtungszeit und der Intensität selbst abhängen; und

g) dieses neue Steuersystem kann extrem rasch von der Fluoroskopie auf die Röntgenographie bzw. Radiographie umgestellt werden, und näherungsweise in einer Zeitspanne von 0,8 see; dazu wird eine spezielle Übergangseinrichtung verwendet, die es ermöglicht, den Faden in einer sehr kurzen Zeitspanne, nämlich in einer Zeitspanne von ungefähr 0,2 see. auf eine Temperatur im Bereich der Emissionstemperatür zu bringen, so daß während der verbleibenden Zeitspanne von bis zu 0,8 see. eine stabilisierte Temperatur, die der von der Bedienungsperson gewünschten Solltemperatur entspricht, erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Äusführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematiscfien Zeichnungen-näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines statischen Systems zur Steuerung der Regel-Intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren,

Fig. 2 ein vereinfachtes Diagramm des Gleichstrom/ : Gleichstrom-Choppers und seines Steuersystems,

Fig. 3 ein vereinfachtes Diagramm des Transistor- ;. Wechselrichters, der den Faden-Transformator speist, ^!

Fig. 4 ein Diagramm des Fehlerverstärkers für den Strom CmA) der Röntgenröhre, für den Fadenstrom und für die Anforderung des Stroms der Röntgenröhre,

Fig. 5 das Frequenzverhalten der Regelschleife für den Faden, und

Fig. 6 bis 9 Wellenformen des Fadenstroms und des Ansprechverhaltens des Systems auf eine genau definierte Funktion, beispielsweise eine Eichfunktion.

Das statische System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren weist entsprechend dem Blockdiagramm nach Fig. 1 die folgenden Hauptelemente auf:

1. Nicht-stabilisiertes Speisesystem

2. Gleichumrichter bzw. Gleichstrom/Gleichstrom-Chopper 3. Transistor-Wechselrichter

4. Logische. Steuerschaltung

5. Fadentransformator

6- Röntgenröhre^: ·:■■:-· " :

7. Fehlerverstärker des Stroms (mA) der Röntgenröhre 8. Regelkreis des mA Stroms der Röntgenröhre

9. Fehlerverstärker für die Anforderung der Fadenintensität

10. Regelschleife für einen zusätzlichen Obergangsbefehl,
11. Schaltung für einen konstanten Anforderungsbefehl.

1. Nicht-stabilisertes Speisesystem

Von einem Netzwerk wird mittels eines Transformators eine

- of -

niedrige Spannung (Punkt Λ) erhalten, die gleichgerichtet, gefiltert und zur Speisung des Wechselumrichter-Choppers (siehe Punkt G in Fig. 2) verwendet wird»

2. Wechselumrichter bzw. Gleichstrom/Gleichström-Chöpper

Diese Schaltung wandelt die nicht-stabilisierte Gleichstromspannung entsprechend der gewünschten Anforderung (siehe Fig. 2) in eine stabilisierte Gleichstromspannung um.

Andererseits speist der Ausgang des Operationsverstärkers IC54 Stift 6 oder TP-13 über den Widerstand R45 die Basis des Transistors Q37, der aufgrund der kombinierten Wirkung der Dioden CR35-CR36 bis nahezu in die Sättigung getrieben wird. Dieser Transistor steuert wiederum die Transistoren Q161 und Q6, welche die Verstärkerstufe des Gleichumrichters (Choppers) bilden.

Die Ansprechgeschwindigkeit des Gleichumrichters hängt in der Hauptsache von dem Begrenzungs- und Sättigungssystem ab, das bei der Gruppe von Leistungstransistoren verwendet wird. Insbesondere zxrr Verringerung eier Sp eicher ze it der Träger in den Obergängen wird ein System verwendet, bei dem zürn Zeitpunkt des Abschaltens automatisch ein Emitter/ Basis-Strom mit umgekehrter Intensität angelegt wird, und zwar für den Transistor Q161 über die Spule bzw. den Induktor L20 und den Widerstand R24 und für den Transistor Q6 in ähnlicher Weise über den Induktor L3 und den Widerstand R4.

Andererseits wird die Spannungsimpulsmodulation des Transistors Q6 durch den Induktor. L5 der Gleichumrichter stufe zugeführt. Die schnelle Diode CR19 leitet die Intensität

des Aufladungskreises durch die in dem Induktor gespeicherte elektromagnetische Energie in den Zeitspannen, in denen der Transistor Q6 nicht leitet.

Die Zeitkonstante der Aufladungsschaltung beträgt näherungsweise L/R, wobei L die Induktivität des Induktors L5 plus der Streuverluste des Fadentransformators und R der Äquivalenz-Widerstand an der Primärseite des Fadens sind.

TO Wenn das Verhältnis L/R aufgrund einer natürlichen Variation des Fadenwiderstandes entsprechend der für die Röntenröhre benötigen Intensität geändert wird, stellt der Gleichumrichter automatisch durch die oben beschriebene Rückkopplung eine Frequenz ein, um einen Ausgangsspannungswert mit konstanter Intensität" durch die entsprechende Regelung aufrecht zu erhalten.

Damit wird also die Eingangsspannung durch die dynamische Justierung stabilisiert, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Die Frequenz läßt sich im allgemeinen zwischen Gleichstrom und 20 kHz variieren, wobei auch Werte von 50 kHz erreicht werden können; dadurch liegt der Wirkungsgrad -der Stabilisderungsschaltung. im Bereich von 95 I,

3. Transistor-Wechselrichter (siehe Fig. 3)

Die Spannung des Gleichumrichters wird über die Reaktanz L5 (Punkt J) an den zentralen Abgriff der Primärseite des Faden-Transformators angelegt, dessen Sekundärseite den Faden selbst speist. Damit kann also der Gleichumrichter zwei identische Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler spei- ■ sen, die wiederum die ausreichende Energie für den dünnen und den dicken Faden der< Röntgenröhre liefern.

Die den zentralen Abgriff der Primärseite des Fadentrans-

- ve -

formators zugeführte, stabilisierte Spannung wird mittels einer Gogentakt-Transistor-Lcistungsschaltung Q171-Q168, deren Steuerung bei einer konstanten Frequenz von näherungsweise 400 Hz über eine logische Steuerschaltung betrieben wird, in eine Wechselstromspannung umgewandelt. Diese Frequenz von 400 Hz stellt einen Näherungswert dar, um die Größe des Fadentransformators zu verringern. Der zweite Transistor-Wechselrichter ist identisch mit der beschriebenen Ausführungsform, so daß er in Fig. 3 nicht im Detail dargestellt ist. Dadurch werden also die beiden Transistor-Wechselrichter mit einem einzigen Chopper gespeist, wodurch sich der schaltungstechnische Aufwand und die Kosten für das System verringern.

4. Logische Steuereinheit

Bei dieser Steuereinheit handelt es sich um eine Schaltung, welche die beiden Transistorwechselrichter entsprechend den beiden Fäden der Röntgenröhre (siehe Fig. 3) speist.

Andererseits steuert sie die Leistungstransistoren der Wechselrichter, welche die Rechteckwellen für ihre An- und Abschaltung erzeugen, und wählt außerdem einen der beiden Wechselrichter aus,"xmd' zwar in Abhängigkeit davon, ob die Bedienungsperson mittels der entsprechenden Eingabeeinrichtungen den dünnen oder den dicken Faden ausgewählt hat. . :

5. Fadentransformator S

' j

Die in dem Transistorwechselrichter erzeugte Rechteckwelle ■ wird der Primärseite eines Fadentransformators zugeführt,

um den Steuerteil (Niederspannung) von dem Hochspannungs- ; teil der Röntgenröhre zu trennen.

Fig. 3 stellt dar, wie einer dieser Transformatoren (T1) geschaltet ist.

Damit speist also die Sekundärwicklung dieser Fadentransformatoren die beiden Fäden der Röntgenröhre.

6. Röntgenröhre

Bei einer solchen Röntgenröhre handelt es sich um eine im Handel erhältliche Komponente, die folgende Funktionsweise hat: Zwischen die Katode und die Anode der Röntgenröhre wird eine Hochspannung angelegt und damit den Fäden ein Strom aufgeprägt, so daß eine Strahlung erzeugt wird, die auf einen Schirm oder eine radiographische Platte aufgezeichnet werden kann; dies ermöglicht wiederum eine klinische Untersuchung eines Patienten.

Aufgrund der großen Vielzahl der im Handel erhältlichen Röhren und aufgrund der hohen Dispersion bzw. Verlustlei-2q stung der Fäden ist ein System erforderlich, das automatisch jede Fadenimpedanz einstellen kann, um den gewünschten Strom exakt zu steuern.

7. Fehlerverstärker für den Röntenröhren-Strom CmA)

In dieser Schaltung wird der Strom der Röntgenröhre mit

dem mA-Sollwert verglichen, den die Bedienungsperson von der Steuerkonsole des Röntgenstrahlengenerator ausgewählt hat.
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Die· Differenz, also der Fehler : zwischen den beiden Werten wird festgestellt und verstärkt und dient damit als Rückkopplung für die Regelschleife des mA-Stroms der Röntgenröhre.

- vs -.«25-

Fig. 4 stellt dar, wie das Fehlersignal der Intensitätsregelschleife verglichen, korrigiert und in Bezug auf die Regelung behandelt wird; dabei handelt es sich also um die Sollwerteinstellung für den Faden. Das Signal für den Sollwert der Röntgenstrahlenintensität (Punkt E) wird über den Widerstand R95 an den negativen Eingang des Operationsverstärkers A1 angelegt und wird von der realen Intensität der Röhre (Punkt K) über den Nebenschlußwiderstand R71 zusammen mit den Widerständen R128-R127 abgezogen.

8. Geschlossene Regelschleife des mA-Stroms der Röntgenröhre . '

Das in der Komponente A1 verstärkte Fehlersignal bildet das Signal, das von dem "mA-Fehler" beherrscht wird; dieses Signal wird dann während der Belichtung mittels des Steuersignals für die geschlossene Regelschleife, das auf den Feldeffekttransistor IC101 einwirkt, zu dem Signal für den Sollwert der Fadenintensität (Pig. 4) addiert, so daß dieses "mA Fehler" Signal den negativen Eingang des Operationsverstärkers A2 passieren kann, - dessen Ausgangss-ignal ein Signal bildet, das durch den "Fadensollwert" (Punkt H) beherrscht wird; dieses Signal dient wiederum als Sollwert für die Verbindung Gleichstrom/Gleichstrom.

Die Fluoroskopie erfolgt, wenn sich der Feldeffekttransistor IC 101 in der offenen Stellung befindet, wodurch _: die Eingabe des Fehlersignals der Intensitätsregelschleife verhindert wird, so daß der Faden-Sollwert mit den der ; Fadenintensität zusammenfällt. t

9. Fehlerverstärker des Sollwertes für die Fadenintensität

Fig. 2 stellt die Sollwertschaltung für den Fadenstrom dar.
5

Der Operationsverstärker IC 54 mischt und vergleicht drei Signale gleichzeitig, die im folgenden im Detail beschrieben werden sollen:

Der Faden-Sollwert, der von dem Punkt H am Ausgang des Operationsverstärkers A2 ausgeht, bildet selbst während der Belichtung das Fehlersignal der Intensitätsregelschleife. Dieses Signal wirkt durch den Widerstand R42 auf den negativen Eingang des Verstärkers IC54.

.

Andererseits gibt es einen zusätzlichen Obergangsbefehl, der während des Übergangs von der Fluoroskopie auf die Radiographie auf den Transistor FET CFI) itfirkt, so daß der Faden während einer variablen, von der Art der Röhre abhängenden Zeitspanne, die im allgemeinen im Bereich von 0,2 see. liegt, in einen Betriebszustand gebracht wird, der sich nahe beim Emissionszustand_ befindet, so daß währen der verbleibenden 0,6 see. ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um den Faden zu stabilisieren und am Beginn der Belichtung die Intensität der Röntgenröhre zu erreichen, die von· der Bedienungsperson eingestellt worden ist.

Das dritte Signal wirkt über die Widerstände R58-R57 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers IC54 und bildet das Rückkopplungssignal für die Fadenintensität

(Punkt I). ^:

Damit steuert also das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC 54 die Transistoren des Choppers und bildet

- V5T -

die Fehlerdetektorstufe und die Verstärkung des Gleichumrichters (Chopper).

10. Regelschleife des zusätzlichen Obergangsbefehls 5

Es gibt einen zusätzlichen Obergangsbefehl, der beim Obergang von Fluoroskopie auf Radioagraphie auf den Transistor F1 (Fig. 2) wirkt, damit sich während einer variablen, von der Art der Röhre abhängenden Zeitspanne, die im allgemeinen im Bereich von 0,2 see. liegt, der Faden in einem Betriebszustand befindet, der nahe bei der Emission liegt; dadurch steht während der verbleibenden 0,6 see. ausreichend Zeit zur Verfügung, um die Röntgenröhe und hier insbesondere den Faden zu stabilisieren und bei Beginn der Belichtung die Intensität der Röntgenröhre zu erreichen, die von der Bedienungsperson eingestellt worden ist; der Punkt B steuert den Transistor F1, um diese Regelschleife zu öffnen oder zu schließen.

11. Schaltung für konstante Anforderung

Fig. 2 stellt diese Schaltung für konstante Anforderung dar. Diese Schaltung, hat. eine_t,feslfce. Soll-Spannung und weist einen Widerstand R91 und eine Diode CR107 auf; sie wird mit dem Rest der Schaltung verbunden, wenn der Transistor FET CFID leitet, wodurch bei der zusätzlichen Obergangsanfo'rderung eine konstante Spannung angelegt wird.

Diese Schaltung stellt ein neues Steuersystem für den Obergang von der Fluoroskopie auf die Radiographie in näherungsweise 0,8 see. dar, und zwar mittels eines zusätzlichen. Obergangsbefehls, der ermöglicht, daß der Faden in einer sehr kurzen Zeitspanne, in näherungsweise

0,2 sec, auf einen Betriebszustand gebracht wird, der nahe bei der Emissionstemperatur liegt; dadurch kann er während der verbleibenden Zeitspanne von bis zu 0,8 see. eine stabilisierte Temperatur erreichen, die dem von der Bedienungsperson geforderten Sollwert entspricht.

" Analyse des Verstärkungsfaktors des Fadensteuersystems

Die Rückkopplungsschleife für den Faden hat bei offener Regelschleife"näherungsweise" den folgenden Verstärkungsfaktor:

Verstärkungsfaktor Operationsverstärker;

IC 54 20.000 Cd.c.) und 1780 bis

20 kHz

Transistor Q37 25

" Q 161 100

. " Q 6 100

Gesamtverstärkungsfaktor 50 χ 10 = 194 db in :

Gleichstrom

Die Übertragungsfunktion mit geschlossener Regelschleife wird durch die folgende Gleichung gegeben:

1 +GH H '

dabei bedeuten:

V₀ = Ausgangsspannung
. Vq = Sollspannung
GCs) = direkte Übertragungsfunktion HCs) = Rückkopplungsübertragungsfunkt ion; H = 1/10

- yr -

Durch Ersetzen des Wertes für H erhält man für eine Frequenz Null:

^VO - 10

vT

Andererseits ist der maximale Fehler in dem Verstärker ■· IC54 bei 20 kHz durch den folgenden Ausdruck gegeben:

Maximaler Fehler = |yg-₀ = 0,056 I.

Fig. 5 stellt das Nichols-Diagramm dar, aus dem sich ergibt, daß dieses System absolut und relativ stabil mit einem Phasenspielraum von näherungsweise 127° und einem Verstärkungsspielraum ist, der auf 126 db extrapoliert werden könnte.

Die Fig. 6 und 7 zeigen das Verhalten des Systems bei einer Stufenfunktion. Diese Kurven bestätigen also die hohe Ansprechgeschwindigkeit und die Optimierung des Oberschießens.

Die Fig. 8 und 9 stellen schließlich die Gleichstromspannung dar, die dem Fadentransformator zugeführt wird.

Die Amplitude des Signals hat eine 10 Volt/Teilung; die Zeit eine 5 msec/Teilung.

Claims

Patentansprüche

Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von iöntgenstrahlen-Generatoren, gekennzeichnet durch ein' statisches System zur Steuerung der Intensität der Röntgenstrahlen über eine Rückkopplungs-Regelschleife mit der zweifachen Faden-Intensität, die in der Röntgenröhre als Ergebnis der Zuführung einer Spannung erzeugt wird, wobei dieses statische System in Kombination einen Gleichumrichter sowie gegebenenfalls in dem Gleichumrichter vorgesehene Transistoren, die die Faden-Intensität direkt steuern, einen Transistor-Wechselrichter, der über den entsprechenden Transformator den Faden der Röntgenröhre speist, und ein System für die Regelung der beiden Variablen aufweist, nämlich die Faden-Intensität und die Röntgenstrahlen-Interis ität.

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2. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der statische, stabilisierende Gleichumrichter eine Dreifachfunktion erfüllt, nämlich als Spannungsstabilisator, als Steuereinrichtung für die Regelung der Faden-Intensität und als Steuereinrichtung für die Intensität der Röntgenröhre.
3. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität in Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichumrichter verwendet wird, der hier auch als "Transistor-Chopper"bezeichnet wird, dessen über eine variable Frequenz erfolgende Steuerung dynamisch justiert wird, um am Ausgang eine konstante Spannung aufrechtzuhalten, die näherungsweise eine lineare Funktion des Soll-Wertes der Faden-Regelschleife ist, die die Faden-Intensität darstellt.
4. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung bei einer variablen Frequenz zwisehen der Frequenz eines Gleichstroms und 20 kHz arbeitet, wobei jedoch auch Werte von 50 kHz erreicht werden können, und daß die Reaktanz des Wandlers das einzige existierende Filter darstellt, wodurch sich im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen eine höhere Ansprechgeschwindigkeit des Systems bei dynamischen Änderungen der Faden-Intensität ergibt.
5. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es neben der statischen Stabilisierung der Änderungen der Eingangsspannung während der Belichtung die Steuerung der Faden-Intensität und der Röntgenstrahlen-Intensität ermöglicht, wodurch sich eine wesentliche Verbesserung in der Genauigkeit und der An-

Sprechgeschwindigkeit des gesamten Systems zur Steuerung der Intensität der Röntgenröhre ergibt.
6. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechgeschwindigkeit des Systems zur Steuerung der Stabilisierungsspannung des Fadens, das bei Frequenzen bis zu 50 kHz arbeiten kann, im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen verbessert wird, wie beispielsweise ferroresonanten Stromkreisen, sättigbaren Reaktanzen, usw., die normalerweise bei 50/60Hz arbeiten.
7. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverluste des statischen Systems zur Steuerung der Stabilisierungsspannung des Fadens im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen wie beispielsweise ferroresonanten Schaltungen, sättigbaren Reaktanzen, usw., verringert werden, wodurch die stabilisierende Schaltung einen Wirkungsgrad im Bereich von 95% erreicht.
8. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Verringerung des Volumens, des Raums und der Kosten im Bereich von 60 % im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen zur Stabilisierung von Spannungen, wie beispielsweise sättigbaren Reaktanzen, ferro resonanten Schaltungen usw. :
9. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden der Röntgenröhre durch eine Wechselstromspannung gespeist wird, der durch aufeinanderfolgende Umwandlung des Netzwerk-Wechselstroms in

4,

Gleichstrom, des Gleichstroms in Gleichstrom über den Chopper zu den Transistoren für die Stabilisierung und die Erreichung des Soll-Wertes der Faden-Intensität und von dem Gleichstrom in einen Wechselstrom über zwei Transistor-Wechselrichter erzeugt wird, um über einzelne Transformatoren, welche die Niederspannung von der Hochspannung isolieren, die beiden Fäden der RöritgenrÖhrI^uspeisen.
10. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Fäden der Röntgenröhre über einen im Gegentakt geschalteten statischen Transistor-Wechselrichter gespeist wird, der wiederum den Faden-Transformator speist, der in dem System für Isolationszwecke benötigt wird, so daß der erwähnte Transistor-Wech- selrichter einen Wechselstrom mit Rechteckwellen-Form und einer Frequenz von 400 Hz erzeugt, deren effektiver Spannungswert in Abhängigkeit von dem Soll-Wert der Faden-Intensität durch das Ausgangssignal des Gleichumrichters definiert ist.
vt~ Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das statische System zur Steuerung der Regelschleife die Zahl der Faden-Stromwerte die zur Steuerung der Röntgenstrahlenintensität erforderlich sind, in Abhängigkeit von der angelegten Spannung wesentlich verringert, wobei diese Verringerung bei der gleichen Genauigkeit der Röntgenstrahlenintensität größer als 80 % sein \ kann. '■
12. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Komponenten der Steuer- und Einstellschaltungen sowie die Dispersion bzw. Streuverluste der Röntgenröhren-Emission kompensiert

und minimal gemacht werden, da das System mit einer Regelschleife arbeitet, die eine doppelt so hohe Intensität hat. und die doppelte Zahl von Fäden und Röntgenröhren speisen kann.
13. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuverlässigkeit und die mittlere, störungsfreie Zeit zwischen zwei Störungen erhöht werden, da die Zahl der Komponenten und der Verbindungselemente im Vergleich mit anderen, herkömmlichen stabilisieren den Systemen, wie beispielsweise sättigbaren Reaktanzen, ferroresonanten Schaltungen usw. wesentlich verfingert wird.
14. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß statt einer Spannungsregelung wie bei anderen, herkömmlichen Systemen die Faden-Intensität statisch gesteuert wird, um die Dimensionierung der Steuer- und Einstellschaltungen zu kompensieren und minimal zu machen, und zwar aufgrund der hohen Tmpedanz-Streuverluste einiger Fäden im Vergleich mit anderen Fäden in den Röntgenröhren, da diese Streuverluste bei variabler Faden-Intensität etwas geringer sind, wodurch sich eine merkliche Verringerung im Bereich der Faden-Stromwerte sowie eine höhere Genauigkeit erreichen lassen.
15. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine wesentliche Vereinfachung der Steuer-und übrigen, notwendigen Schaltungen, die sich als merkliche Kostenverringerung bemerkbar machen, durch eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems und durch eine längere Lebensdauer.
16. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von

Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem einzigen Gleichumrichter und mit einem einzigen Soll-Wert für die Steuerung der beiden Fäden der Röntgenröhren gearbeitet wird, und zwar im Gegensatz zu anderen, herkömmlichen Systemen, welche die beiden Fäden ständig in Betrieb halten.
17. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensdauer der Röntgenröhre als Ergebnis der Verringerung der Entladungsenergie im Vergleich mit herkömmlichen Systemen verlängert wird, welche die beiden Fäden ständig in Betrieb halten.
18. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Steuerung der Intensität der Röntgenstrahlen keine Begrenzung in Bezug auf sehr kurze Belichtungszeiten, beispielsweise Belichtungszeiten im Bereich von einer oder mehreren Millisekunden, gibt, obwohl die Zeitkonstante des Fadens im allgemeinen im Bereich von 0,7 Sekunden, liegt.
19. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Toleranz im Bereich von 4,5 % für die Intensität der Röntgenröhre garantiert ist, sobald die Spannung in kVp ihren Soll-Wert erreicht.
20. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität '· von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß unerwünschte, zu hohe Strahlungen, die für den Patienten gefährlich werden können, verhindert werden, indem bei der Steuerung der Faden-Intensität eine Genauigkeit von mehr als o,3 % erreicht wird, was eine Toleranz im Bereich von 4,5 % bei der Änderung der

Intensität der Röntgenstrahlen-Emission garantiert,
21. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis

20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der Röntgenröhren während der Belichtung dynamisch kompensiert wird, wodurch sich der exponentiell Intensitätsabfall verhindern läßt, dessen im allgemeinen bei etwa 130 ms liegende Zeitkonstante auf die Intensität der Emission durch thermische Ionisierung zurückführen läßt, die nach ihrer Einleitung die verbleibende mittlere Energie verringert.
22. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von. Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis

21, dadurch gekennzeichnet, daß die Reproduzierbarkeit der für die Röntgenstrahlenintensität erhaltenen Werte im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen trotz des weiten Wertespektrums und der Techniken wesentlich verbessert wird, die mit jedem Röntgenstrahlen-Generator erzielt werden und von dem kVp Bereich, den Belichtungszeiten und der Intensität selbst abhängen.
23. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgenstrahlen-Generatoren nach einem der Ansprüche 1 bis

22, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterung der Röntgenröhre minimal gemacht wird, da die während ihrer Lebensdauer erzeugten Impedanz-Änderungen mit einer doppelten Regelschleife kompensiert werden, wodurch sich die Wartung des Generators und die dadurch hervorgerufenen, zusätzlichen Kosten wesentlich verringern lassen.
24. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein neues Steuersystem das Fluoroskopie-System auf das Radiographie-System innerhalb von näherungsweise 0,8 Sek. umstellt und zwar mittels eines zu-

sätzlichen Übergangsbefehls, der den Faden in einer sehr kurzen Zeitspanne von beispielsweise ca. 0,2 see. auf eine Temperatur in der Nähe der Emissionstemperatur bringt, so daß während der verbleibenden Zeitspanne von bis zu 0,8 see. eine stabilisierte Temperatur, die dem von der Bedienungsperson verlangten Wert entspricht, erreicht werden kann.
25. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systemen eine wesentlich geringere Zahl von periodischen Überprüfungen erforderlich ist, um die Einstellungen und Messungen der Parameter des Generators durchzuführen, die durch die Alterung der Röntgenröhre beeinflußt werden.
26. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von Röntgegengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleich mit herkömmlichen System mit offener Schleife eine wesentliche Verringerung der Einstellzeit während der Herstellung und bei der Qualitätskontrolle, und zwar im Bereich von 30 %, erreicht wird.
27. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von RÖntgenstrahlengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleich mit herkömmlichen Systemen eine wesentliche Verringerung der Meß- und Einstellzeit beim Aufbau des Gerätes in Bezug auf. Techniken und Parameter erzielt wird, und zwar im Bereich von 50 %.
28. Statisches System zur Steuerung der Regelintensität von RÖntgenstrahlengeneratoren nach einem der Ansprüche

1 bis 27, gekennzeichnet durch eine digitale Schutzeinrichtung mit geschlossener Schleife bzw. Regelschleife, die durch ein System von Mehrfachverarbeitungseinrichtun gen gesteuert wird, die das System analysieren und Fehler entdecken, die als Ergebnis eines fehlerhaften Betriebs innerhalb des statischen Systems zur Steuerung der Regelintensität entstehen könnten, um die Röntgenröhre gegen zu hohe Ströme, Kurzschlüsse, öffnen von elektrischen Speiseschaltungen und Versagen der elektronischen Komponenten zu schützen.
29. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgengeneratoren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzggruppe über Steuerschaltungen arbeitet, deren Ausgangssignale digital auf eine Mikroprozessoreinheit zurückgekoppelt werden, die hier als Mehrfachverarbeitungssystem mit radialem Aufbau bezeichnet wird und mittels eines Software-Programms die Analyse durchführt, wobei die entsprechenden Änderungen und Fehler zwischen den Anforderungssignalen für die Fadenintensität und die Röntgenröhre mit den entsprechenden Rückkopplungen vor, während und nach der Belichtung berücksichtigt wer-
30. Statisches System zur Steuerung der Regel intensität von Röntgenstrahlengeneratoren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es ein System für die Steuerung der Intensität von Röntgenröhren universalen Typs bildet, das bei jedem kommerziell erhältlichen Typ von Röntgenröhren und Scharfeinstellung der Röntgenstrahlen eingestellt werden kann, wobei die Intensitätseinstellung über ein Softwareprogramm mittels eines Mikrocomputers während der Einstellung der Röhre erfolgt.