DE3929402A1 - Roentgeneinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung mit einem
Röntgenstrahler und einem Hochspannungserzeuger zur Ver
sorgung des Röntgenstrahlers mit Hochspannung über
wenigstens ein Hochspannungskabel. Derartige Röntgenein
richtungen sind allgemein bekannt.
In der Praxis lassen sich Störungen der Röntgenröhre nicht
ganz vermeiden. Bei diesen Störungen entstehen im Innern
der Röntgenröhre Ladungsträgerlawinen, die zu einem Durch
zünden der Röntgenröhre führen, wobei sich die in den
Kapazitäten des Hochspannungskabels gespeicherte Energie
stoßartig über die Röntgenröhre entlädt. Der Röhrenstrom
kann dabei zeitweilig Werte im Bereich von kA erreichen,
so daß die Gefahr der Zerstörung der Röntgenröhre
besteht. Diese Gefahr ist umso ausgeprägter, je länger das
Hochspannungskabel ist bzw. - bei zwei Hochspannungskabeln
zwischen Hochspannungserzeuger und Röntgenstrahler - die
Hochspannungskabel und je höher die Betriebsspannung der
Röntgenröhre ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Gefahr der Zerstörung
der Röntgenröhre zu verringern. Diese Aufgabe wird erfin
dungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Hochspannungskabel
oder am Ausgang des Hochspannungserzeugers eine nur
hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungsimpedanz vorgesehen
ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Röntgen
röhre im Falle dieser Störung das Hochspannungskabel
schlagartig kurzschließt, wodurch in dem Kabel eine nur
schwach gedämpfte Schwingung erzeugt wird, deren Strom
maximum an dem mit dem Röntgenstrahler verbundenen Ende
des Kabels auftritt. Durch die nur hochfrequenzmäßig,
d.h. also nur im Falle einer Röhrenstörung wirksame
Impedanz wird diese Schwingung gedämpft, so daß die
Röhrenstörung schneller abgeklungen ist als bei einer
Röntgeneinrichtung ohne eine solche Dämpfungsimpedanz. Die
Erfindung verringert also nicht die Häufigkeit der Störun
gen, sondern nur die Dauer jeder einzelnen Störung, so daß
diese für die Röntgenröhre weniger schädlich wird.
Im Falle einer Störung ergibt sich am Ausgang des Hoch
spannungserzeugers, der in der Praxis stets mit einem
hochohmigen Ausgangswiderstand abgeschlossen ist, ein
Spannungsmaximum und im Bereich des Röntgenstrahlers ein
Strommaximum. Daher kann die Dämpfung sowohl am Hochspan
nungserzeuger als auch am Röntgenstrahler bzw. in dessen
Nähe erfolgen.
Eine am Hochspannungserzeuger wirksame Dämpfung wird nach
einer ersten Weiterbildung der Erfindung dadurch erhalten,
daß parallel zum Ausgang des Hochspannungserzeugers die
Serienschaltung seiner im Normalbetrieb nichtleitenden
Diode und eines Dämpfungswiderstandes vorgesehen ist, der
in der Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt. Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht demgegenüber vor,
daß parallel zum Generatorausgang die Serienschaltung
eines Kondensators und eines Widerstandes vorgesehen ist,
dessen Widerstandswert in der Größenordnung des Wellen
widerstandes liegt.
In beiden Fällen ist diese Art der Dämpfung umso wirk
samer, je dichter der Dämpfungswiderstand beim Hochspan
nungserzeuger angeordnet ist. Vorzugsweise ist er im Hoch
spannungserzeuger angeordnet, was den Vorteil hat, daß am
Kabel keine Veränderungen erforderlich sind.
Eine andere Ausgestaltung sieht demgegenüber vor, daß die
Dämpfungsimpedanz einen ferromagnetischen Kern umfaßt, der
so gestaltet und angeordnet ist, daß der in dem Hochspan
nungskabel fließende Strom darin einen magnetischen Fluß
erzeugt.
Diese Art der Dämpfung setzt voraus, daß die Dämpfungs
impedanz auf dem Hochspannungskabel in der Nähe des Rönt
genstrahlers wirksam ist. Über den ferromagnetischen Kern
wird dabei die Dämpfung in die Hochspannungsleitung trans
formiert.
Für eine derartige Transformation der Dämpfung in die als
(Primär-)Wicklung wirkende Hochspannungsleitung ist an
sich eine weitere (Sekundär-)Wicklung erforderlich, an die
ein geeignet bemessener Widerstand angeschlossen ist. Eine
solche Lösung ist recht aufwendig. Eine Weiterbildung der
Erfindung sieht demgegenüber vor, daß der Kern ein Ferrit
kern ist, der bei den bei einer Röhrenstörung auftretenden
Frequenzen des Röhrenstroms Verluste aufweist. Die
Dämpfung wird also durch Verwendung eines verlustbehaf
teten Ferritkerns erzeugt, so daß eine Sekundärwicklung
entfallen kann.
Grundsätzlich wäre es möglich, die die Hochspannung
führende Ader in dem Hochspannungskabel um einen zylinder
förmigen Ferritkern zu wickeln. Dies würde jedoch ein ent
sprechend präpariertes Kabel bzw. einen entsprechend
präparierten Kabelabschnitt, der über eine entsprechende
Steckverbindung mit einem normalen Hochspannungskabel
zusammengefügt wird, voraussetzen. Eine günstigere
Ausgestaltung sieht daher vor, daß der Ferritkern das
Hochspannungskabel ring- bzw. hohlzylinderförmig um
schließt. Hierbei braucht der Hochspannungsleiter also
nicht um den Kern gewickelt zu werden; dieser umschließt
vielmehr den Hochspannungsleiter, so daß kein gesondert
präpariertes Kabel erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Röntgeneinrichtung nach der Erfindung und
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Röntgenstrahler 1. Die Anode der in
diesem Strahler enthaltenen Röntgenröhre ist geerdet,
während ihre Kathode an einer negativen Hochspannung von
z.B. 225 kV betrieben wird. Diese wird von einem Röntgen
generator 2 geliefert. Die in diesem Hochspannungsgene
rator auf nicht näher dargestellte Weise erzeugte Hoch
spannung ist im allgemeinen an einem Glättungskondensator
21 verfügbar. Der Hochspannungserzeuger 2 ist mit dem
Röntgenstrahler 1 über ein Hochspannungskabel 3 mit drei
Innenleitern 31 verbunden, von denen in Fig. 1 nur einer
dargestellt ist und die praktisch das gleiche Hochspan
nungspotential führen (die geringen Spannungsunterschiede
zwischen diesen Innenleitern dienen der Erzeugung eines
Heizstroms in den beiden Heizfäden der Kathode). Das Hoch
spannungskabel umfaßt darüberhinaus in bekannter Weise ein
geerdetes Drahtgeflecht 32, vorzugsweise aus Kupfer, das
die Innenleiter 31 umschließt. Die Hochspannung am Konden
sator 21 wird dem mit der Kathode verbundenen Innenleiter
31 des Hochspannungskabels 3 nicht direkt zugeführt,
sondern über einen Ausgangswiderstand 22 von z.B. 100 kOhm.
Dieser Ausgangswiderstand hat die Aufgabe, den im
Falle eines Kurzschlusses im Generator fließenden Strom zu
begrenzen.
Im Falle einer Störung in der Röntgenröhre bildet diese
für das Hochspannungskabel praktisch einen Kurzschluß,
wobei sich die Kabelkapazitäten über die Röntgenröhre -
mit Entladungsströmen im kA-Bereich - entladen. Wegen der
Kabelinduktivitäten ergibt sich dabei eine Schwingung,
deren Strommaximum an dem mit dem Röntgenstrahler 1 ver
bundenen Ende des Hochspannungskabels liegt. Diese Schwin
gung wird gedämpft, um ihre Energie und damit auch die
Gefahr einer Beschädigung des Röntgenstrahlers 1 zu
verringern.
Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- a) Wie gestrichelt angedeutet, ist an den Ausgang des Hochspannungserzeugers die Serienschaltung eines Kondensators 23 und eines Widerstandes 24 angeschlos sen, dessen Widerstandswert zumindest größenordnungsmä ßig dem Wellenwiderstand (ca. 100 Ohm des Hochspan nungskabels 3) entspricht. Wegen des Kondensators 23 fließt im Normalbetrieb, bei dem am Ausgang nur eine Gleichspannung anliegt, kein Strom über den Widerstand 24. Nur im Störungsfall wirkt der Widerstand 24 infolge seiner Bemessung wie ein nahezu reflexionsfreier Abschluß für das Hochspannungskabel, so daß die Hoch frequenzenergie der Schwingung in dem Widerstand 24 in Wärme umgesetzt werden kann, so daß die Schwingungs dauer wesentlich verkürzt wird. Allerdings erfordert diese Lösung einen Kondensator 23, der neben der erfor derlichen Hochspannungsfestigkeit auch mit den im Störungsfall fließenden hohen Strömen belastbar sein muß. Außerdem entlädt sich der Kondensator 23 im Störungsfall zusätzlich über die Röntgenröhre.
- b) Eine andere Möglichkeit zur Dämpfung der Schwingung des Hochspannungskabels besteht darin, an den Ausgang des Hochspannungserzeugers 2 die Serienschaltung einer Diode 25 und eines Widerstandes 26 anzuschließen. Der Wert des Widerstandes 26 sollte zumindest größenord nungsmäßig dem Wellenwiderstand des Hochspannungskabels entsprechen und die Diode 25 muß so gepolt sein, daß sie durch die im Normalbetrieb herrschende Hochspannung gesperrt wird. Im Falle einer Störung der Röntgenröhre ergibt sich am Ausgang des Hochspannungserzeugers 2 eine Schwingung, bei der die Hochspannung am Ausgang des Hochspannungserzeugers ihre Polarität entsprechend der Eigenresonanz des Hochspannungkabels umkehrt. Immer dann, wenn die Polarität umgekehrt ist, fließt der Schwingungsstrom über den Widerstand 26 und wird dadurch gedämpft. Somit ist auch die durch die Serien schaltung 25 und 26 gebildete Belastungsimpedanz nur hochfrequenzmäßig wirksam. Diese Lösung erfordert eine Diode (bzw. eine Vielzahl in Serie geschalter Dioden), deren Sperrspannung der Hochspannung des Röntgengenera tors entspricht und die im Störungsfall von dem starken Strom durch die Röntgenröhre beaufschlagbar sein muß.
- c) Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet demgegenüber eine Dämpfungsimpedanz 30, die magnetisch in die Hochspannungsleitung gekoppelt wird. Diese Impe danz ist an der Stelle des Hochspannungskabels am wirk samsten, an der sich im Störungsfall die größten Ströme ergeben, d.h. in der Nähe des Röntgenstrahlers. Die Dämpfungsimpedanz 30 sollte daher in der Nähe des Rönt genstrahlers auf dem Hochspannungskabel 3 angeordnet sein. Aufbau und Wirkungsweise dieser magnetisch wirk samen Dämpfungsimpedanz werden nachfolgend anhand von Fig. 2 näher erläutert.
Die Dämpfungsimpedanz 30 besteht aus mehreren ring- bzw.
zylinderförmigen weichmagnetischen Ferritkernen 301, die
das Hochspannungskabel 3 umschließen. Im Bereich der
Ferritkerne ist das geerdete Drahtgeflecht 32 einschließ
lich der darauf aufgebrachten Gummischicht entfernt, so
daß das vom Strom durch die Innenleiter 31 erzeugte
Magnetfeld die Ringkerne 301 durchsetzt. Im Normalbetrieb,
bei dem ein vergleichsweiser geringer Gleichstrom von
z.B. 15 mA die Innenleiter durchsetzt, haben die Ferrit
kerne 301 praktisch keinen Einfluß. Im Falle einer Röhren
störung hingegen ergibt sich eine Stromschwingung mit
einer Amplitude von einigen kA und einer Frequenz von rund
3 MHz (bei einem 10 m langen Hochspannungskabel). Die
Ferritkerne 31 müssen nun so beschaffen sein, daß bei
dieser Frequenz das (Hoch-)Magnetfeld in die Kerne 301
eindringen kann und dort genügend starke Verluste hervor
ruft.
Dies wird durch Verwendung von Mangan-Zink-Ferriten er
reicht. Mangan-Zink-Ferrite haben einen spezifischen elek
trischen Widerstand in der Größenordnung von 1 Ohm * m. In
derartigen Ferritkernen ruft das von dem im Störungsfalle
durch die Innenleiter 31 fließenden Strom erzeugte Hoch
frequenzmagnetfeld relativ starke Wirbelströme hervor, so
daß der Innenleiter 31 in Verbindung mit den Ferritkernen
301 wie eine mit Verlusten behaftete Induktivität wirkt,
wodurch die im Störungsfalle auftretende Hochfrequenz
schwingung so bedämpft wird, daß sie nach einer oder
wenigen Schwingungsperioden abgeklungen ist. - Wenn
anstelle von Mangan-Zink-Ferriten Nickel-Zink-Ferrite ver
wendet werden, deren spezifischer Widerstand mehrere
Zehnerpotenzen höher liegt als die von Mangan-Zink-
Ferriten, dann sind die Verluste vernachlässigbar klein,
so daß keine wirksame Dämpfung auftritt. Würden hingegen
Weicheisenkerne verwendet, deren spezifischer elektrischer
Widerstand um mehrere Zehnerpotenzen kleiner ist als die
eines Mangan-Zink-Ferrits, dann würde aufgrund der zu
starken Wirbelströme das Hochfrequenzmagnetfeld praktisch
nicht in die Kerne eindringen können, so daß diese
ebenfalls nicht dämpfend wirksam würden.
Wie bereits erwähnt, ändert die Hochspannung im Falle
einer Störung ihre Polarität. Das sich dabei während einer
Halbschwingung ergebende Zeitintegral bestimmt den maxima
len Induktionsfluß. In den Phasen der Schwingung, in denen
der zeitlich veränderliche Induktionsfluß die Ferritkerne
in die Sättigung treibt, ist die Dämpfung durch die Kerne
unwirksam. Unterhalb eines für die Aufnahme eines maxima
len Induktionsflusses ausreichenden Gesamtquerschnitts der
Ferritkerne nimmt daher die Dämpfung mit abnehmendem Ge
samtquerschnitt ab. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die
Dämpfung noch zum Schutz der Röntgenröhre ausreicht, wenn
der Gesamtquerschnitt kleiner ist als für den maximalen
Induktionsfluß erforderlich. Der Gesamtquerschnitt sollte
daher so gewählt werden, daß der Schutz der Röntgenröhre
gerade noch gewährleistet ist. Im Einzelfall hängt dieser
Kompromiß u.a. von dem Aufbau der Röntgenanlage, insbeson
dere des Röntgenstrahlers ab.
Damit die in den Ferritkernen induzierten Spannungen nicht
über die Außenfläche benachbarter Kerne oder Metallflächen
kurzgeschlossen werden, sind die Ferritkerne durch
Isolierschichten 302 allseitig isoliert.
Die Ferritkerne 301 werden durch zwei das Hochspannungs
kabel 3 konzentrisch umschließende Anschläge 303 aus Mes
sing auf dem Hochspannungskabel fixiert. Die Anschläge 303
ihrerseits werden durch Kabeltüllen 304 in ihrer Position
gehalten, und sie sind elektrisch leitend mit den Enden
des Geflechtes 32 verbunden. Mittels eines Messingrohres
305, das die Ferritkerne 301 umschließt und die Anschläge
303 miteinander verbindet, ergibt sich somit eine ununter
brochene Abschirmung bzw. eine elektrisch leitende Verbin
dung zwischen den beiden Enden des Drahtgeflechts 32.
Anstelle der Ferritkerne kann zur Dämpfung ggf. auch ein
Eisendrahtgeflecht (32) verwendet werden.
Claims (12)
1. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgenstrahler (1) und
einem Hochspannungserzeuger (2) zur Versorgung des Rönt
genstrahlers mit Hochspannung über wenigstens ein
Hochspannungskabel,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hochspannungskabel (3)
oder am Ausgang des Hochspannungserzeugers (2) eine nur
hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungsimpedanz (30) vorge
sehen ist.
2. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz (30) in
der Nähe des Hochspannungserzeugers angeordnet ist.
3. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz einen
ferromagnetischen Kern (301) umfaßt, der so gestaltet und
angeordnet ist, daß der in dem Hochspannungskabel (3)
fließende Strom darin einen magnetischen Fluß erzeugt.
4. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Ferritkern (301)
ist, der bei den bei einer Röhrenstörung auftretenden
Frequenzen des Röhrenstroms Verluste aufweist.
5. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern das Hochspan
nungskabel ring- bzw. hohlzylinderförmig umschließt.
6. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsimpedanz (30)
mehrere auf dem Hochspannungskabel nebeneinander angeord
nete Ferritkerne (301) umfaßt.
7. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne elektrisch
gegeneinander isoliert sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungskabel ein
geerdetes Drahtgeflecht (31) aufweist und daß das Drahtge
flecht in dem Bereich, auf den der bzw. die Ferritkern(e)
(301) aufgebracht ist (sind), unterbrochen ist.
9. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der unterbrochene Teil des
Drahtgeflechts über ein den (die) Ferritkern(e) (301) um
schließendes, elektrisch leitendes Rohr (305) elektrisch
miteinander verbunden sind.
10. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungskabel (3)
zumindest über einen Teil seiner Länge mit einem geerdeten
Eisendrahtgeflecht versehen ist.
11. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgang des Hoch
spannungserzeugers (2) die Serienschaltung seiner im
Normalbetrieb nichtleitenden Diode (25) und eines
Dämpfungswiderstandes (26) vorgesehen ist, der in der
Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt.
12. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Generatorausgang
die Serienschaltung eines Kondensators (23) und eines
Widerstandes (24) vorgesehen ist, dessen Widerstandswert
in der Größenordnung des Wellenwiderstandes liegt.
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