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Verfahren zum Betriebe von Röntgenröhren. In der Patentschrift
331932 ist ein Verfahren angegeben, welches aus der Beobachtung hervorgegangen
ist, daß Austeute und Härte der Röntgenstrahlung zunehmen, wenn die Wechselzahl
der Betriebsspannung über den in der Technik üblichen, bis zu 125 Perioden in der
Sekunde betragenden Wert erhöht wird. Fortgesetzte l"ersuche zeigten, daß der Ausübung
jenes Verfahrens Schwierigkeiten sich hauptsächlich dann entgegenstellen, wenn die
Schwingung nicht vermittels Maschinengeneratoren, sondern auf einem physikalischen
Wege - beispielsweise mit Glühkathod,enschwingungsröhren, Poulsenbögen, Löschfunkenstrecken
u. dgl. - erzeugt werden soll. Diese Schwierigkeiten stammen zum großen Teil daher,
daß bei den meisten Ausführungsformen des Verfahrens vermöge des Ventilcharakters
der Röhre nur der richtig gepolte Schwingungswechsel durch sie durchtritt. Darin
liegt aber ein gewichtiges Hindernis, eine regelrechte ungedämpfte Schwingung, wie
sie für einen störungsfreien, rationellen Betrieb unbedingt erforderlich ist, im
Schwingungskreise aufrechtzuerhalten.
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Einer der Hauptgedanken der Erfindung besteht darin, die Röhre mit
hochfrequent pulsierender, aber gleichgerichteter Spannung zu betreiben, welche
dadurch liergesfellt wird, daß eine hochfrequent schwingende Wechselspannung üler
eine stehende oder sich nur langsam mit der technischen Frequenz ändernde Spannung
übergelagert wird, wie aus dem Diagramm der Abb. i ersichtlich. Der Ausgangspunkt
des neuen Verfahrens ist also unter allen Umständen ein Röhrenbetrieb mit ruhendem
Gleichstrom oder mit einer verhältnismäßig niedrigen Wechselzahl.
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Eine der wichtigsten Ausführungsformen des Verfahrens verbindet mit
dem genannten ,Merkmal der Üherlagerung noch ein zweites, nämlich daß der durch
die Röhre sich entladende Strom konstant gehalten wird oder sich nur verhältnismäßig
langsam bzw. wenig ändert. *In diesem Fall wird der mit erhöhter Freqenz pulsierende
Charakter dadurch der Entladung erteilt, daß die Klemmenspannung der Röhre mit höherer
Frequenz pulsierend gestaltet wird. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der
auf den Brennfleck aufprallenden Kathodenstrahlen sehr raschen und in weiten Grenzen
vor sich gehenden Änderungen unterworfen werden, was eine Steigerung der Härte und
der Ausbeute der Strahlen mit sich bringt.
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Es sind verschiedene Betriebsarten möglich, welche die letztgenannte
Ausführungsform des Erfindungsgedankens zu verwirklichen gestatten. Eine von ihnen
ist in der Abb. -2 dargestellt. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlen dient eine Hochvakuumröntgenröhre.
Dies ist für las Verfahren deshalb von Wichtigkeit, weil nur bei einer solchen Röhre
eine Spannungserhöhung keine unberechenbare Änderung des Entladungsstromes bedingt.
In der Abb. 2 ist die bekannte Lilienfeldröntgenröhre dargestellt; es kann aber
auch eine Röntgenröhre nach Coolidge Anwendung finden.
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Zwischen der vom, Heiztransformator erb it zten Glühlampe G und der
Lochkathode K der Lilienfeldröhre wird von der Gleichstromdynamo D, die sogenannte
Zündentladung aufrechterhalten. Bekanntlich ist, solange der Strom der Zündentladung
konstant bleibt, auch der I?ntladungsstrom der eigentlichen, von einer zweiten Hochspannungsdynamo
L)", zwischen Lochkathode K und Antikathode A gespeisten Röntgenentladung annähernd
konstant. Denn es ändert sich, Konstanz des Zündstromes vorausgesetzt, die 1Vlilliamperezahl
im
Röntgenteile der Röhre zwischen K und A nicht oder nur unerheblich, wenn die Spannung
sich zwischen K und A selbst in weiten Grenzen - beispielsweise zwischen 30 und
9o KV - ändert. Auf dieser Tatsache beruht das Arbeiten der Ausführungsform
des Verfahrens gemäß Abb. 2. Die Hochspannungsdynamo D2 liegt nämlich an der Antikathode
A nicht unmittelbar, sondern mittelbar über die Selbstinduktion L. Letztere ist
aber so beschaffen, daß sie vermöge ihrer Eigenkapazität einen Schwingungskreis
von geeigneter Eigenfrequenz darstellt, oder sie wird durch Hinzuschaltung der Kapazität
C zu einem solchen Schwingungskreis ergänzt. Auf diesen Kreis L-C wird nun in irgendeiner
Weise eine möglichst umgedämpfte Schwingung übertragen, indem er beispielsweise
induktiv mit einem anderen, passend abgestimmten Schwingungskreis gekoppelt wird.
Von diesem zweiten, zur eigentlichen Erregung der Schwingung dienenden Kreis ist
in der Abbildung nur die Selbstinduktion L, angegeben; der Kreis selbst ist im übrigen
als auf eine der bekannten Arten aus Poulsenbögen, Schwingungsröhre, Löschfunkenstrecke
und ähnliche unter Zuhilfenahme von Kapazitäten Lund Selbstinduktionen zusammengesetzt
zu denken.
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Die Hintereinanderschaltung einer Quelle verhältnismäßig ruhenden
Gleichstromes und der Selbstinduktion eines schwingenden Kreises bietet Vorteile
selbst dann, wenn eine besonders sorgfältige Abstimmung der Gleichspannung sowie
der Scheitelwerte der schwingenden Spannung aufeinander nicht vorgenommen wird,
sofern eine stark unsymmetrische Wechselspannung bereits - einige derjenigen Vorzüge
aufweist, die der Gleichspannung eigen sind. Bei weitem am günstigsten ist es aber,
die von D2 gelieferte Spannung sowie die Scheitelwerte der sich darüber lagernden
Spannung des Schwingungskreises L-C so zu wählen, daß zwischen K und A niemals ein
Potentialunterschied der verkehrten Richtung entsteht, so daß letzten Endes die
Röhre mit rasch pulsierender Gleichspannung betrieben wird. Mit anderen Worten:
Es hat die Spannung von A um einen Wert herumzuschwingen, der positiv gegenüber
dem Potential von K ist, ohne daß der Potentialunterschied zwischen K und A den
Wert Null erreicht oder ihn gar unterschreitet. Dieser Sachverhalt ist in dem Diagramm
der Abb. r dargestellt. Dem Diagramm liegt der zahlenmäßig besondere Fall zugrunde,
in welchem die Gleichspannung von D, 6o K h beträgt, die übergelagerte Schwingung,
aber um den Betrag von ± 3o KV um diejenige Abszisse oszilliert, welche dem
Potential von 6o KV entspricht. Demzufolge besteht in keinem Zeitpunkt ein geringerer
Potentialunterschied zwischen K und A als 3o K V, während sein höchster
erreichter Wert sich auf 9o K Tl beziffert.
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Die Vorteile der Schaltung gemäß Abb.2 sind dadurch gegeben, daß ein
verhältnismäßig geringer Energieaufwand genügt, um in diem Schwingungskreis L-C
eine ungedämpfte Schwingung aufrechtzuerhalten, da die Energie für den Betrieb der
Röhre vorwiegend von DZ geliefert wird. Die Hauptsache ist aber, daß die Schwingung
im Kreis L-C von dem Ventilcharakter der Röhre, aber auch von den sonstigen Vorgängen
in ihr wenig beeinlußt wird, da offenbar der durch die Röhre sich entladende, annähernd
ruhende Gleichstrom nur wenig auf den Schwingungskreis einwirken kann. Dadurch wird
ein störungsfreier Betrieb gewährleistet. Schließlich bedeutet es eine Bequemlichkeit,
daß man jederzeit in der Lage ist, die Röntgenröhre auch ohne Erregung des Schwingungskreises
L-C zu betreiben. Das kommt dem die Röhre benutzenden Arzt nicht nur dann zustatten,
wenn der Schwingungskreis versagen sollte, sondern auch in allen denjenigen Fällen,
in welchen die größten Intensitäten und Härten keine Verwendung finden, also etwa
bei Durchleuchtungen und Zeitaufnahmen.
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Im besonderen Falle der Lilienfeldröhre kann es unter Umständen vorteilhaft
sein, die Hintereinanderschaltung einer Quelle fast ruhenden Gleichstromes und der
§'elbstindttktion eines schwingenden Kreises, wie es in Abb. 2 im Röntgenkreis dargestellt
ist, auch im Zündkreis zu wiederholen. Bei Röhren mit noch mehr als zwei Entladungskreisen
kann die Wiederholung dieser Hintereinanderschaltung unter Umständen in jedem einzelnen
der Entladungskreise oder in mehreren von ihnen Wert haben, und zwar zu dem Zwecke,
Wirkungen des Schwingungskreises auf die Röhre zu verstärken oder aber andere Wirkungen
- wie z. B. eine unerwünscht eintretende kleine Zunahme des Stromes mit der Spannung
- zu kompensieren. Zu diesem Zweck müssen die Selbstinduktionsspulen der einzelnen
Entladungskreise mit synchronen Schwingungen betrieben werden, die je nach dem angestrebten
Zweck konphas oder gegeneinander phasenverschoben sein müssen.
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Der an Hand von Abb. 2 gegebenen Auseinandersetzung wurde ein Betrieb
mit Hochspannungs-Gleichstrom-Dynamos einzig und allein deshalb zugrunde gelegt,
um dite Darstellungsweise zu vereinfachen. Es ist einleuchtend, daß ruhender Gleichstrombetrieb
kein unbedingtes Erfordernis für das geschilderte Verfahren ist; an Stelle von D,
DZ
können ei;ensogtit zwei synchron und konphas mit technischem
Wechselstrom betriebene Transformatoren gesetzt werden. Wird die Sekundärspannung
dieser Transformatoren gleichgerichtet, so ist es zweckmäßig, entsprechend synchronen
und konphasen Wechselstrom zum Speisen des Schwingungskreises L, zu verwenden. Wird
dabei als Schwingungserreger eine Vorrichtung mit Ventilcharakter (Glühkathodenrohr)
benutze, st; ist auch der L1 speisende Wechselstrom gleichzurichten. Statt dessen
können aber -zwei im entgegengesetzten Sinne in der Speiseleitung liegende Glühkathodenröhren
in l:ekannter Weise so gegeneinander geschaltet werden, daß jeder der beiden Wechsel
sozusagen einen eigenen Schwingungserreger erhält.
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Wird aber die Röhre ohne vorausgegangene Gleichrichtung an den Sekundärklemmen
des Transformators betrieben, so daß der Fehlwechsel vermittels irgendeiner bekannten
Vorrichtung oder infolge des Ventilcharakters der Röhre abgeschirmt wird, so ist
der Schwingungskreis L,_ so zti Ietreiben, daß Schwingungen lediglich zu denjenigen
Zeiten erzeugt werden, zti denen die richtig gepolten Wechsel des technischen Wechselstromes
ihren Weg durch die Röhre nehmen. Bei Benutzung eines im richtigen Sinne in der
Leitung liegenden Glühkathodenschwingungsrohres trifft das ohne weiteres zu; bei
anderen Schwingungsvorrichtungen kann al-er durch Einschalten eines Ventiles in
die Speiseleitung des Kreises L1 erreicht «-erden, daß dieser Kreis während des
Bestehens des Fehlwechsels nicht erregt wird. Von besonderem Vorteil ist, daß dann
die während des Fehlivechsels an der Röhre liegende Hochspannung einen erheblich
niedrigeren Wert hat als während des richtig gepolten Wechsels. So ist z. B. unter
zahlenmäßigen Verhältnissen, die analog dein Diagramm der Abb. i liegen, also unter
Benutzung einer technischen Wechselspannung von dem Scheitelwerte von 6o K L', die
an die Röhre liegende Scheitelspannung während des Fehlwechsels ran volle 3o K h
niedriger als diej enige während des richtig gepolten Wechsels.