DE3520509C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art. Ein solcher Generator ist aus der DE-OS 24 43 709 bekannt.

Die rasche Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungssteuerung durch Leistungshalbleiter hat es ermöglicht, Hochspannungsgeneratoren für Röntgenröhren mit einem schnellen Ansprechverhalten zu schaffen, mit denen sich die der Röntgenröhre zugeführte Spannung relativ gut regeln läßt.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein solcher Röntgenröhren-Hochspannungsgenerator gezeigt. Es sind folgende Baugruppen dargestellt: eine herkömmliche Leistungsquelle 1, ein Gleichrichter 2 für die Umformung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, ein Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3, der die von dem Gleichrichter 2 ausgegebene Gleichspannung mit einer vorgegebenen Frequenz f 1 zwischen einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit (im folgenden als "Stromleitungs-Verhältnis" bezeichnet) umschaltet, sowie ein Wechselrichter 4, der schaltende Elemente 4 a bis 4 d aufweist. Mit einer vorgegebenen Frequenz f 2 wird ein alternierendes simultanes Einschalten der schaltenden Elemente 4 a und 4 d bzw. 4 b und 4 c durchgeführt, um an die Primärwicklung 5 a eines Hochspannungstransformators 5 eine Wechselspannung der Frequenz f 2 anzulegen. Weiterhin zeigt Fig. 1 einen Gleichrichter 6 für die Umformung der in der Sekundärwicklung 5 b des Transformators 5 induzierten Wechselspannung, einen Kondensator 7 für die Glättung der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters 6, d. h. für die Lieferung einer geglätteten Gleichspannung vx, die an eine Röntgenröhre 8 angelegt wird, einen Detektor 9 für die Erfassung der Röntgenröhrenspannung und für die Erzeugung eines Signals vx′, das der Röntgenröhrenspannung entspricht, einen Abweichungs-Verstärker 10 für die Erzeugung eines Signals a, das einer Abweichung zwischen dem Signal vx′ und einem Sollwert Vz der Röntgenröhrenspannung entspricht, sowie eine Steuerung 11 für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer, die auf das Signal a anspricht, um ein Signal b zu erzeugen, das das Stromleitungs-Verhältnis des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers 3 einstellt.

Der Abweichungs-Verstärker 10 kann entsprechend Fig. 2 aufgebaut sein. Er umfaßt Widerstände 21 und 22 mit demselben Wert R 1, einen Operationsverstärker 23, einen Widerstand 24 mit dem Wert R 2 und einen Kondensator 25 mit einer Kapazität C.

Im Betrieb wird durch den Wechselrichter 4 eine Gleichspannung, die durch den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 auf einen vorgegebenen Pegel eingestellt ist, in eine Wechselspannung umgerichtet. Diese Wechselspannung wird durch den Hochspannungstransformator 5 erhöht, durch den Gleichrichter 6 und den Kondensator 7 gleichgerichtet und geglättet und an die Röntgenröhre 8 angelegt. Diese Röntgenröhrenspannung wird vom Detektor 9 erfaßt, und das Signal vx′ wird in den Abweichungs-Verstärker 10 eingegeben, um den Pegel des Signals a entsprechend der Abweichung vom Sollwert Vz zu verändern. In Antwort auf ein sich ergebendes Signal a erzeugt die Steuerung 11 für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer ein Signal b, das das Stromleitungs-Verhältnis für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 einstellt. Ist beispielsweise das Signal vx′ kleiner als der Sollwert Vz, wird das Stromleitungs-Verhältnis für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 erhöht, um die Röntgenröhrenspannung vx anzuheben. Umgekehrt wird beim Überschreiten des Sollwertes Vz das Stromleitungs-Verhältnis des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers 3 erniedrigt, um die Röntgenröhrenspannung vx abzusenken.

Die aus der eingangs genannten Druckschrift bekannte Anordnung weist im wesentlichen einen solchen Aufbau und die entsprechende Arbeitsweise auf.

Die Röntgenröhrenspannung Vx nimmt eine Wellenform an, die typischerweise, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Welligkeit mit einer Frequenz von 2f 2 hat. Die Welligkeit wird durch den Betrieb des Wechselrichters 4 hervorgerufen. Im Wechselrichter 4 sollten die schaltenden Elemente 4 a und 4 d der einen Schaltvorrichtung bzw. die schaltenden Elemente 4 b und 4 c der anderen Schaltvorrichtung gleichzeitig eingeschaltet werden, aber das gleichzeitige Einschalten beider Schaltvorrichtungen sollte vermieden werden, indem ein Pausenintervall Td vorgesehen wird, um einen Kurzschluß im Ausgang des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers 3 zu vermeiden. Während des Pausenintervalls Td wird vom Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 keine Leistung auf die nachfolgende Last übertragen, und die Röntgenröhre 8 wird folglich nur durch den Entladestrom vom Kondensator 7 mit Leistung versorgt, woraus sich ein Abfall der Röntgenröhrenspannung vx ergibt. Diese Schwingung mit der Frequenz 2f 2 muß von der Regelung ferngehalten werden.

Im in Fig. 2 gezeigten Abweichungs-Verstärker 10 ist die Eingangs/Ausgangs-Beziehung durch folgende Gleichung gegeben:

wobei S ein Parameter der Laplace-Transformation ist. Damit tritt in Antwort auf das Eingangssignal im Ausgangssignal a eine Verzögerung von CR 2 auf, und das Ausgangssignal a spricht für CR 2 < nicht auf die 2f 2-Schwingung an, wodurch es möglich ist, eine stabile Regelung zu schaffen.

Auf diese Weise kann der Abweichungs-Verstärker durch Wahl von CR 2 so eingestellt werden, daß er nicht auf die Schwingung mit der Frequenz 2f 2 anspricht. Diese Maßnahme entspricht einer Glättung der 2f 2-Schwingung. In anderen Worten wird, wie in Fig. 3 gezeigt, ein bezüglich der Schwingung gemittelter Pegel Vm der Röntgenröhrenspannung rückgekoppelt, wenn die Röntgenröhrenspannung einen Maximalwert Vp hat.

Die Größe der 2f 2-Schwingung hängt von der Größe der Last ab. Für größere Röntgenröhrenströme tritt die Schwingung verstärkt auf, während sie für kleinere Röntgenröhrenströme geringer ist. Der Maximalwert der an der Röntgenröhre auftretenden Spannung vx ist die normalerweise interessierende Röntgenröhrenspannung. Wenn nun aber die 2f 2-Schwingung für verschiedene Röntgenröhrenströme gemittelt und damit geregelt wird, nimmt der Maximalwert der Röntgenröhrenspannung, wie in Fig. 4 gezeigt, verschiedene Werte Vp 1 bzw. Vp 2 an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Röntgenröhren-Hochspannungsgenerator so auszugestalten, daß die Regelung eine genau auf den Sollwert abgestimmte Röntgenröhrenspannung erzeugt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Es werden somit erfindungsgemäß die Maximalwerte der Röntgenröhrenspannung mit der Frequenz 2f 2 abgetastet und festgehalten, wobei die Abtastung synchron zu den Schaltimpulsen des Wechselrichters erfolgt.

Aus der US-PS 43 31 876 ist es an sich bekannt, zur Regelung der Amplitude einer pulsierenden Röntgenröhrenspannung eine Abtast- und Halteschaltung auf die Periodizität der zu transformierenden Spannung zu synchronisieren. Allerdings wird dazu das von einem Differenzverstärker abgegebene Differenzsignal zwischen Soll- und Ist-Wert abgetastet.

Aus der JP-OS 54-1 22 992 ist darüber hinaus ein Röntgengerät mit einer Scheitelwert-Abtast- und Halteschaltung für die Röntgenröhrenspannung bekannt, das jedoch keinen Wechselrichter mit paarweisen Schaltvorrichtungen, sondern Relais mit mechanischen Kontakten und motorgetriebene Drehschalter aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel des Röntgenröhren-Hochspannungsgenerators wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Hochspannungsgenerators für eine Röntgenröhre mit einer Regelung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 Einzelheiten eines Abweichungs-Verstärkers;

Fig. 3 die Wellenform einer Röntgenröhrenspannung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wellenformen der Röntgenröhrenspannung, wie sie sich mit der Regelung nach dem Stand der Technik ergeben;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Hochspannungsgenerators für eine Röntgenröhre nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 Einzelheiten einer Abtast/Halte-Steuerung, wie sie im Generator nach Fig. 5 Anwendung findet; und

Fig. 7 ein Zeit-Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des Generators nach Fig. 5.

Bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 5 werden die Komponenten und Blöcke 1 bis 11, die denen in Fig. 1 entsprechen, nicht mehr im einzelnen erläutert. Zusätzlich zu diesen Baugruppen weist der Hochspannungsgenerator der Fig. 5 eine Wechselrichter-Steuerung 31, eine Abtast/Halte-Steuerung 32 und eine Abtast/Halte-Schaltung 33 auf. Die Wechselrichter-Steuerung 31 erzeugt ein EIN-Signal INV 1, das an die schaltenden Elemente 4 a und 4 d des Wechselrichters 4 angelegt wird, sowie ein EIN-Signal INV 2, das an die ebenfalls im Wechselrichter 4 enthaltenen schaltenden Elemente 4 b und 4 c angelegt wird. Die EIN-Signale INV 1 und INV 2 werden ebenso auf die Abtast/Halte-Steuerung 32 gegeben. In Antwort auf diese EIN-Signale INV 1 und INV 2 von der Wechselrichter-Steuerung 31 erzeugt die Abtast/Halte-Steuerung 32 ein Abtast/Halte-Signal SH bei der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters. Die Abtast/Halte-Schaltung 33 empfängt das Signal vx′ vom Detektor 9 für die Röntgenröhrenspannung und führt entsprechend dem Abtast/Halte-Signal SH ein Abtasten und Halten des Signals vx′ durch. Dementsprechend werden vom Signal vx′ synchron zur Schaltoperation des Wechselrichters Momentanwerte genommen. Wie in Fig. 6 beispielhaft dargestellt, weist die Abtast/Halte- oder Sample/Hold-Steuerung 32 eine NOR-Schaltung 41 für die entsprechende Verknüpfung der beiden Eingangssignale und eine differenzierende Schaltung 42 auf, die eine Differentiation des Eingangssignals bei seinem Anstieg durchführt und einen Impuls erzeugt.

Der Betrieb des Hochspannungsgenerators wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Die Wechselrichter-Steuerung 31 überträgt zwei Signale INV 1 und INV 2 zum Wechselrichter 4 und zur Abtast/Halte-Steuerung 32. Wie aus Fig. 7 deutlich wird, überlappen sich die beiden EIN-Signale INV 1 und INV 2 nicht, so daß für ein Pausenintervall Td ein zeitweises Aussetzen auftritt, wobei die Signale wechselweise mit einer Frequenz f 2 erscheinen. Das Pausenintervall Td ist notwendig, um das gleichzeitige Einschalten der schaltenden Elemente 4 a und 4 c oder der schaltenden Elemente 4 b und 4 d des Wechselrichters 4 mit Sicherheit zu vermeiden. In der Abtast/Halte-Steuerung 32 werden die Signale INV 1 und INV 2 durch die NOR-Schaltung 41 einer NOR-Verknüpfung unterzogen, so daß ein NOR-Signal am Ausgang der Schaltung 41 erzeugt wird. Nach dem Anstieg des Signals erzeugt die Differenzierschaltung 42 ein Abtast/Halte-Impulssignal SH, das wiederum an die Abtast/Halte-Schaltung 33 angelegt wird. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird das Abtast/Halte-Signal SH bei jedem Abfall der Signale INV 1 und INV 2, d. h. bei der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters erzeugt. Im allgemeinen erreicht die Röntgenröhrenspannung vx, wie in Fig. 7 gezeigt, unmittelbar nach der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters einen Maximalwert. Wenn das Signal vx′ entsprechend dem Sample/Hold-Signal SH durch die Abtast/Halte-Schaltung 33 abgetastet und gehalten wird, wird daher ein Ausgangssignal vxp′ der Abtast/Halte-Schaltung 33 im wesentlichen auf dem Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung beibehalten. Da der Abweichungs-Verstärker 10 auf eine Abweichung zwischen dem Ausgangssignal vxp′ der Abtast/Halte-Schaltung 33 und dem Sollpegel Vz der Röntgenröhrenspannung anspricht, um den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 über seine Steuerung 11 einzustellen, läßt sich unabhängig von der Größe der 2f 2-Schwingung der Röntgenröhrenspannung der Soll-Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung einregeln.

Die Steuerung der Röntgenröhrenspannung kann auch digital unter Verwendung eines Mikrocomputers erfolgen. Bei einer digitalen Steuerung wird das Signal vx′p mittels eines A/D-Umformers in ein Digitalsignal umgeformt und dann durch den Mikrocomputer verarbeitet, um entsprechend einer Abweichung vom Sollwert ein Stromleitungs-Verhältnis zu bestimmen.

Bei einem Wechselrichter-Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre mit einer Ausgangsleistung von 2 kW und einer Arbeitsfrequenz von 200 Hz konnte die vorteilhafte Wirkung experimentell bestätigt werden. Während der Röntgenstrahlung wurde der Generator so betrieben, daß der Last Leistung zugeführt wurde, wobei das Stromleistungs-Verhältnis des Wechselrichters etwa 10% betrug und die Entladung vom Hochspannungskondensator die restlichen 90% ausmachte. Beim Betrieb dieses Generators mit einem herkömmlichen Regelsystem mit einem Sollpegel für die Röntgenröhrenspannung von 40 kW betrug der Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung 40 kV für einen Röntgenröhrenstrom von 0,5 mA, jedoch 47 kV für eine Röntgenröhrenstrom von 3 mA. Beim Betrieb des Generators mit dem oben beschriebenen Regelsystem wurde immer ein Scheitelwert für die Röntgenröhrenspannung von 40 kV erhalten, unabhängig von unterschiedlichen Werten für den Röntgenröhrenstrom.

Claims (1)

1. Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre,
   mit einem Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, wobei dieser Umformer durch Änderung des Verhältnisses seiner Einschaltzeit zur Ausschaltzeit gesteuert wird, um damit eine variable Ausgangsgleichspannung zu erhalten,
   mit einem Wechselrichter zum Umwandeln der Ausgangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung, wobei zwei Schaltvorrichtungen während einer Periode alternierend eingeschaltet werden,
   mit einem Transformator, der Primär- und Sekundärwicklungen zum Erhöhen der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters aufweist,
   mit einem Gleichrichter zum Umwandeln der in der Sekundärwicklung des Transformators erzeugten Spannung in eine Gleichspannung, die an die Röntgenröhre angelegt wird,
   mit einem Detektor zur Messung der Röntgenröhrenspannung, und
   mit einer Regelschaltung, in der das Ausgangssignal des Detektors mit einem Sollwert verglichen und bei Abweichung auf das Verhältnis von Einschaltzeit zur Ausschaltzeit des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers eingewirkt wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß zwischen dem Abschalten einer und dem Anschalten der anderen Schaltvorrichtung ein Pausenintervall vorgesehen ist,
   daß die Regelschaltung eine Abtast- und Halteschaltung umfaßt, die den Momentanwert des vom Detektor gemessenen Ausgangssignals zu Beginn jedes Pausenintervalls abfragt und speichert, und
   daß der gespeicherte Abtastwert als Ist-Wert für die Regelschaltung dient.