DE4138889A1 - Roentgenleitung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenleitung, die gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 aufgebaut ist. Sie bezweckt, beim Röntgenbetrieb
eventuell auftretende transiente Überspannungen unschädlich
zu machen.
Der Aufbau einer Röntgenleitung sieht seit langem, wie es bei
spielsweise in der DE-PS 9 72 701 beschrieben ist, wie folgt aus:
innen der Hochspannungsleiter, darüber innere Leitschicht (leit
fähige Hülle), Hochspannungsisolierung und äußere Leitschicht,
darüber der Schirm (konzentrischer äußerer Leiter) und schließlich
der Mantel.
Im Lauf der Zeit erhielt der Leitungskern (die innere Leiter
anordnung) verschiedene Ausbildungen, wogegen der übrige Leitungs
aufbau gleich blieb. Von den heute üblichen Leiteranordnungen
seien aufgeführt:
- a) Im Kern der Röntgenleitung sind neben dem blanken Hochspan nungsleiter zwei isolierte Heizleiter angeordnet, wobei der runde, feindrähtige Hochspannungsleiter aus Symmetriegründen in zwei halbe, ebenfalls runde Leiter geteilt ist, so daß im Leitungskern vier Elemente miteinander verseift sind (F "Elektro technik" 12, 1972, S. 23).
- b) Im Kern der Röntgenleitung sind die beiden isolierten Heizleiter mit einem isolierten Gittersteuerleiter verseilt, darum liegt eine leitfähige Umhüllung, und darum ist der konzentrische Hochspannungsleiter geseilt (DE-GM 85 26 448).
- c) Konzentrischer Aufbau: Heizleiter 1, Isolierung, Heizleiter 2, Isolierung, Hochspannungsleiter als Geflecht (F "Röntgen leitungen" 4, 1989).
In allen Fällen ist der weitere Aufbau gleich: innere Leitschicht,
Hochspannungsisolierung, äußere Leitschicht, Schirm und Mantel.
Als Materialien sind gebräuchlich:
- a) für die Innenleiter Litzen aus dünnen, verzinnten Kupferdrähten, die zur Zugfestigkeit im Kern durch verzinkte Stahldrähte verstärkt sein können,
- b) für die Leithüllen halbleitende Gummi- oder Kunststoffmischungen (Compounde), Bänder oder Folien,
- c) für die Hochspannungsisolierung vernetzte Gummi- oder Kunststoffmischungen (Elastomere wie EPR),
- d) für den Außenleiter Umseilung oder Geflecht aus Cu-Drähten und
- e) für den Mantel Gummi- oder Kunststoffmischungen (wie PVC) oder Glasgarngeflecht.
Während des Röntgenbetriebes kann es in den Röntgenröhren zu elek
trischen Entladungen (Kurzschlüssen) kommen, in deren Verlauf
transiente Überspannungen (Wanderwellen) auftreten, die über die
Röntgenleitung abgeführt werden. Diese hochfrequenten Überspannungen
können zu Störungen und Ausfällen elektronischer Geräte und
Bauelemente führen, die sich in der Nähe der Störquelle (Röntgenröhre
und -leitung) befinden.
Um solche Störungen zu vermeiden, sind Maßnahmen bekannt, die
Störquelle elektrisch abzuschirmen und die Ausbreitung der tran
sienten Überspannungen über die Röntgenleitung durch Dämpfungsglieder,
die in den Leitungskreis geschaltet werden, zu verringern
oder zu unterbinden.
Hinsichtlich einer Abschirmung wird in der DE-A-15 40 232 eine
Kabelumhüllung zur Abschirmung elektromagnetischer Störsignale
beschrieben, bei welcher zwischen der Kabelseele und dem Mantel
zwei Geflechte angeordnet sind, deren Drähte beim einen Geflecht
aus reinem Eisen und beim andern Geflecht aus einer Eisen-Nickel-
Legierung mit verhältnismäßig hoher Permeabilität bestehen, wobei
das ersterwähnte Geflecht der jeweiligen (ein- oder ausstrahlenden)
Störquelle zugekehrt ist. Der Zweck einer solchen Abschirmung
ist, Störsignale über das ganze elektromagnetische Spektrum von
Gleichstrom bis zu den Mikrowellenfrequenzen zu unterdrücken. Zum
Kabel ist nur angegeben, daß es aus einer Gruppe von Drähten oder
Leitungen besteht, die Abschirmung bewirkt eine Dämpfung von Stör
signalen in Quer-, jedoch nicht in Längsrichtung des Kabels, und
das bei Röntgenleitungen auftretende Problem der transienten Über
spannungen besteht weiterhin.
Zur Lösung dieses Problems bei Röntgenleitungen sind Dämpfungs
glieder, die in den Leitungskreis eingeschaltet werden, in ver
schiedener Ausbildung und Anordnung bekannt. So wird in der DE-A-
20 10 143 ein Hochspannungskabel für eine Röntgenröhre beschrieben,
bei dem ein Dämpfungswiderstand in den Hochspannungsstecker,
der das Kabel mit der Röhre verbindet, einvulkanisiert ist. Der
Widerstand kann als Ohmscher Widerstand (Widerstandsdraht), als
induktiver Widerstand (Leiterspule auf einem Kern großer magnetischer
Permeabilität) oder aus beiden kombiniert ausgebildet sein.
Und in der DE-A1-39 29 402 ist eine Röntgeneinrichtung beschrieben,
bei der in dem Hochspannungskabel oder am Ausgang des Hoch
spannungserzeugers eine nur hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungs
impedanz angeordnet ist. Bei der ersten Anordnung besteht sie in
einem Ferritkern, der das Kabel hohlzylinderförmig umschließt, bei
der zweiten in einem Widerstand (samt Diode oder Kondensator), der
zum Generatorausgang parallelgeschaltet ist.
Zum einen erfordern diese zusätzlichen Dämpfungsglieder einen
bedeutenden Aufwand, und zum andern wäre ihre Wirksamkeit noch zu
verbessern.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Maßnahme
anzugeben, um die Ausbreitung der transienten Überspannungen
über die Röntgenleitung weitgehend zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die
Röntgenleitung ohne den Einsatz von Dämpfungsgliedern eine mit der
Frequenz oberhalb 1 MHz stark steigende Dämpfung der auftretenden
transienten Überspannungen aufweist. Zu diesem Zweck besteht jeder
Innenleiter aus mehreren zwischen 0,1 und 0,4 mm starken Drähten
oder aus einem zwischen 0,2 und 0,6 mm starken Draht, wobei jeder
oder mindestens ein Draht aus einem ferromagnetischen Werkstoff,
z. B. aus Eisen oder einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Perme
abilität bei Frequenzen über 1 MHz, besteht, und gegebenenfalls
die restlichen Drähte aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit bestehen. Der Vervielfachungsfaktor der auf 1 kHz
bezogenen Dämpfungswerte liegt beim Einsatz von Drähten einer
Nickel-Eisen-Legierung bei 3 MHz über 190 und bei 6 MHz über 360,
und der Gleichstromwiderstand eines jeden Innenleiters liegt unter
20 Ω/m.
Dabei ist es vorteilhaft, eine Nickel-Eisen-Legierung der Zusam
mensetzung 75% Ni, 5% Cu, 2% Cr, 0,5% Mn, 0,2% Si, 0,02% C,
Rest Fe zu verwenden, wie sie unter der Bezeichnung Magnifer®75
im Handel ist. - Um bei dem Innenleiter den Grenzwert des Gleich
stromwiderstandes nicht zu überschreiten, können der Kerndraht
oder der kleinere Teil der Drähte aus Kupfer, seltener aus Silber,
und die restlichen Drähte aus Eisen oder der Ni-Fe-Legierung
bestehen.
Der mit der erfindungsgemäßen Röntgenleitung erzielte Vorteil
besteht insbesondere darin, daß die bisher in der Röntgenanlage
zum Überspannungsschutz erforderlichen Dämpfungsglieder entfallen,
womit zum einen in der Anlage Platz und zum andern Anlagekosten
eingespart werden.
Die Erfindung macht sich die Theorie der elektrischen Leitungen
wie folgt zunutze: Man kann einer von Wechselstrom durchflossenen
Leitung die vier Größen: Widerstand, Induktivität, Kapazität und
Ableitung (dielektrische Verluste) zuschreiben. Bezogen auf einen
Leitungsabschnitt spricht man von dem entsprechenden Belag. Induk
tivitätsbelag L′ und Kapazitätsbelag C′ sind weniger, Widerstands
belag R′ (Skineffekt) und Ableitungsbelag G′ sind stärker fre
quenzabhängig.
Der Dämpfungsbelag α gibt an, wie groß die relative Abnahme der
Effektivwerte (von Spannung und Strom in einer fortschreitenden
Welle) bezogen auf die Leitungslänge ist. Die Dämpfung wird verursacht
durch die Energieverluste in der Leitung, die zum Teil in
den Leitungsdrähten, zum Teil in der Isolation entstehen. Für α
erhält man (mit der Kreisfrequenz ω=2 π f) folgende Näherungs
gleichungen:
- (1) für hinreichend niedrige Frequenzen α = (½ ω C′ R′)1/2 und
- (2) für höhere Frequenzen α = R′/2 (C′/L′)1/2 + G′/2 (L′/C′)1/2.
Demgemäß wächst der Dämpfungsbelag bei hinreichend niedrigen Fre
quenzen stärker an (Gl. 1) als bei höheren (Gl. 2). Bei höheren
Frequenzen wächst er infolge Skineffekt und Ableitungsdämpfung an.
Bei den normalen Leitungen ist die Ableitungsdämpfung meist klein
gegen die Widerstandsdämpfung. Eine Vergrößerung der Induktivität
setzt (nach Gl. 2) die Widerstandsdämpfung herab und vergrößert
die Ableitungsdämpfung, vermindert also die Gesamtdämpfung, solange
die Widerstandsdämpfung größer als die Ableitungsdämpfung
ist. (Näheres siehe Küpfmüller "Einführung in die theoretische
Elektrotechnik", Springer-Verlag 1984, S. 404/10/15).
Die Induktivität der Röntgenleitung wird durch die Permeabilität
der verwendeten Leiterwerkstoffe bestimmt. - Der Skineffekt, der
auf der Stromverdrängung in einem zylindrischen Leiter beruht,
bewirkt ein Anwachsen des Widerstandes mit der Frequenz und der
Permeabilität. Für sehr hohe Frequenzen erhält man R=ω Li.
Während bei Leitungen zum Übertragen von hochfrequenten Daten und
Signalen eine möglichst geringe Dämpfung erforderlich ist, wird
dagegen bei Röntgenleitungen im Frequenzbereich über 1 MHz eine
erhebliche Dämpfung benötigt, um störende transiente Überspannungen
unschädlich zu machen.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar
gestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt in
Seitenansicht und Draufsicht
Fig. 1 eine 110-kV-Röntgenleitung mit einem Innenleiter und
einem dazu konzentrischen Außenleiter (hier wird die Heizleitung
getrennt von der Hochspannungsleitung geführt) und
Fig. 2 eine 75-kV-Röntgenleitung mit 4 Innenleitern (2 Hochspan
nungs- und 2 Heizleiter) im Leitungskern,
beide Leitungen ausgebildet zur Dämpfung von transienten Über
spannungen.
Dazu sind in der Zeichnung die Meßergebnisse an drei Prüflingen
des in Fig. 1 gezeigten Leitungstyps mit unterschiedlichen Innen
leitern dargestellt. Es zeigt
Fig. 3 das zeitliche Abklingen der transienten Überspannung U₀
(im Verhältnis zur anliegenden Spannung U) im Kurzschlußfall und
Fig. 4 den relativen Anstieg der Leitungsdämpfung mit der Frequenz.
In Fig. 1 hat die 110-kV-Röntgenleitung folgenden Aufbau:
- erfindungsgemäß der Innenleiter 1
- Beispiel A: Kern ein Kunststoffstrang und darum eine Lage von 6 Verseilelementen aus einem Kerndraht und einer Lage von 6 Drähten, alle 42 Drähte 0,15 mm starke Stahldrähte, zu einer Litze verseilt, und
- Beispiel B: Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten,
und wie üblich um den Innenleiter konzentrisch angeordnet:
- innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi mit 5 mm ⌀,
- Hochspannungsisolierung 3 aus EPR (Ethylen-Propylen-Rubber) mit 15 mm ⌀,
- äußere Leithülle 4 aus halbleitendem Gummi,
- Außenleiter 5 Geflecht aus Cu-Drähten mit 95% Bedeckung und
- Außenmantel 6 aus PVC mit 19 mm ⌀.
- Beispiel A: Kern ein Kunststoffstrang und darum eine Lage von 6 Verseilelementen aus einem Kerndraht und einer Lage von 6 Drähten, alle 42 Drähte 0,15 mm starke Stahldrähte, zu einer Litze verseilt, und
- Beispiel B: Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten,
und wie üblich um den Innenleiter konzentrisch angeordnet:
- innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi mit 5 mm ⌀,
- Hochspannungsisolierung 3 aus EPR (Ethylen-Propylen-Rubber) mit 15 mm ⌀,
- äußere Leithülle 4 aus halbleitendem Gummi,
- Außenleiter 5 Geflecht aus Cu-Drähten mit 95% Bedeckung und
- Außenmantel 6 aus PVC mit 19 mm ⌀.
In Fig. 2 hat die 75-kV-Röntgenleitung folgenden Aufbau:
- erfindungsgemäß: im Leitungskern 1′ zwei blanke Hochspannungs
leiter 7 aus Ni-Fe-Legierungs-Drähten und zwei isolierte Heizleiter
8 auch aus Ni-Fe-Legierungs-Drähten mit einer Leiterisolierung 9
aus Tefzel (Handelsname). Die Hochspannungsleiter 7 und die Heiz
leitungen 8-9 sind miteinander zum Leitungskern verseilt;
- und darum wie üblich: innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi, Hochspannungsisolierung 3 aus EPR, äußere Leithülle 4′ aus einem halbleitend beschichteten Band, Schirmgeflecht 5 aus Cu- Drähten, und Außenmantel 6 aus PVC.
- und darum wie üblich: innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi, Hochspannungsisolierung 3 aus EPR, äußere Leithülle 4′ aus einem halbleitend beschichteten Band, Schirmgeflecht 5 aus Cu- Drähten, und Außenmantel 6 aus PVC.
Wie oben beim Stand der Technik unter b) und c) angegeben, gibt es
noch verschiedene andere Ausbildungen des Leitungskerns. Der weitere
Aufbau der Röntgenleitungen (Hochspannungsisolierung, Schirm
und Mantel) ist jedoch gleich. In allen Fällen sind gemäß der
Erfindung alle Leiter des Leitungskerns (Innenleiter) als Litzen
bzw. als Umseilung allein aus ferromagnetischen Drähten oder in
Kombination mit Kupferdrähten, seltener mit Silberdrähten, ausgebildet.
Das Verhalten von Wanderwellen in Röntgenleitungen ist durch Kurz
schlußstudien an Leitungsprüflingen untersucht worden. In den Fig.
3 und 4 sind die Meßergebnisse an drei Prüflingen des in Fig. 1
gezeigten Leitungstyps mit folgendem unterschiedlichen Aufbau des
Innenleiters dargestellt:
N) (1+6) × 0,11 mm Cu,
A) Kunststoffkern + 6 × (1+6) × 0,15 mm Fe und
B) 1×0,2 mm Cu + 6×0,2 mm NiFeLeg.
A) Kunststoffkern + 6 × (1+6) × 0,15 mm Fe und
B) 1×0,2 mm Cu + 6×0,2 mm NiFeLeg.
Wie aus dem Schaltbild von Fig. 3 ersichtlich, ist der Prüfling an
einem Leitungsende über einen Vorwiderstand mit der Gleichstromquelle
U₀ verbunden, wogegen das andere Ende kurzgeschlossen wird.
Der Spannungsverlauf in diesem Schaltkreis wird zwischen Vorwiderstand
und Prüfling abgegriffen und über ein digitales Speicheroszilloskop
aufgezeichnet. In Fig. 3 ist das zeitliche Abklingen
der transienten Überspannung U₀ im Verhältnis zur anliegenden
Spannung U beim Kurzschluß graphisch dargestellt. Es fällt ins
Auge, daß die erfindungsgemäßen Leitungsprüflinge A und B eine
stärkere bzw. viel stärkere Dämpfung der transienten Überspannung
aufweisen als der übliche Prüfling N.
Des weiteren sind an diesen Prüflingen die Leitungskonstanten in
Abhängigkeit der Frequenz gemessen worden, woraus mit Hilfe eines
Impedance-Analysers die jeweilige Leitungsdämpfung bestimmt wurde.
In Fig. 4 ist für die drei Prüflinge der relative Anstieg der
Leitungsdämpfung, bezogen auf die Dämpfungswerte bei 1 Khz, mit
der Frequenz dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die Ver
vielfachung der relativen Dämpfungswerte beim üblichen Einsatz von
Kupferdrähten (Prüfling O) bei 3 MHz) nur den Faktor 30 und bei 6
MHz den Faktor 65 erreicht, wogegen sie beim erfindungsgemäßen
Einsatz von Eisendrähten (Prüfling A) den Faktor 70 bzw. 120 und
beim Einsatz von Ni-Fe-Legierungs-Drähten (Prüfling B) sogar den
Faktor 190 bzw. 360 überschreitet.
Claims (6)
1. Röntgenleitung mit folgendem Aufbau, konzentrisch von innen
nach außen: Innenleiter (1) oder Leitungskern (1′) mit mehreren
Innenleitern, innere Leithülle (2), Hochspannungsisolierung (3),
äußere Leithülle (4), Schirm (Außenleiter 5) und Mantel (6),
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Röntgenleitung ohne den Einsatz von Dämpfungsgliedern eine mit der Frequenz oberhalb 1 MHz stark steigende Dämpfung der auftretenden transienten Überspannungen aufweist,
- daß zu diesem Zweck jeder Innenleiter (1) aus mehreren zwischen 0,1 und 0,4 mm starken Drähten oder aus einem zwischen 0,2 und 0,6 mm starken Draht besteht, wobei jeder oder mindestens ein Draht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Eisen oder einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Permeabilität bei Frequenzen über 1 MHz, besteht, und gegebenenfalls die restlichen Drähte aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, und
- daß der Vervielfachungsfaktor der auf 1 kHz bezogenen Dämp fungswerte beim Einsatz von Drähten einer Nickel-Eisen-Legierung bei 3 MHz über 190 und bei 6 MHz über 360 liegt, und der Gleich stromwiderstand eines jeden Innenleiters unter 20 Ω/m liegt.
- daß die Röntgenleitung ohne den Einsatz von Dämpfungsgliedern eine mit der Frequenz oberhalb 1 MHz stark steigende Dämpfung der auftretenden transienten Überspannungen aufweist,
- daß zu diesem Zweck jeder Innenleiter (1) aus mehreren zwischen 0,1 und 0,4 mm starken Drähten oder aus einem zwischen 0,2 und 0,6 mm starken Draht besteht, wobei jeder oder mindestens ein Draht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Eisen oder einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Permeabilität bei Frequenzen über 1 MHz, besteht, und gegebenenfalls die restlichen Drähte aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, und
- daß der Vervielfachungsfaktor der auf 1 kHz bezogenen Dämp fungswerte beim Einsatz von Drähten einer Nickel-Eisen-Legierung bei 3 MHz über 190 und bei 6 MHz über 360 liegt, und der Gleich stromwiderstand eines jeden Innenleiters unter 20 Ω/m liegt.
2. Röntgenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß alle Drähte des Innenleiters (1) aus Eisen oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung der Zusammensetzung 75% Ni, 5% Cu, 2% Cr, 0,5% Mn, 0,2% Si, 0,02% C, Rest Fe bestehen,
- oder daß mindestens der Kerndraht aus Kupfer oder Silber und die restlichen Drähte aus Eisen oder der Ni-Fe-Legierung bestehen.
- daß alle Drähte des Innenleiters (1) aus Eisen oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung der Zusammensetzung 75% Ni, 5% Cu, 2% Cr, 0,5% Mn, 0,2% Si, 0,02% C, Rest Fe bestehen,
- oder daß mindestens der Kerndraht aus Kupfer oder Silber und die restlichen Drähte aus Eisen oder der Ni-Fe-Legierung bestehen.
3. Röntgenleitung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgenden
Aufbau des Innenleiters: Kern ein Kunststoffstrang und darum eine
Lage von 6 Verseilelementen aus einem Kerndraht und einer Lage von
6 Drähten, alle 42 Drähte 0,15 mm starke Stahldrähte, zu einer
Litze verseilt.
4. Röntgenleitung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgenden
Aufbau des Innenleiters:
- Kern ein Kupfer- oder Silberdraht und darum mindestens eine Lage von Eisen- oder Ni-Fe-Legierungs-Drähten zu einer Litze verseilt,
- vorzugsweise Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten.
- Kern ein Kupfer- oder Silberdraht und darum mindestens eine Lage von Eisen- oder Ni-Fe-Legierungs-Drähten zu einer Litze verseilt,
- vorzugsweise Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten.
5. Röntgenleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgendem
Aufbau des Leitungskerns:
- a) konzentrisch ohne Heizleiter: Hochspannungsleiter (Fig. 1) oder
- b) konzentrisch mit Heizleiter: Heizleiter, Isolierung, Heizleiter, Isolierung, Hochspannungsleiter oder
- c) 2 Hochspannungsleiter (7) und 2 Heizleitungen (8-9) miteinander verseilt (Fig. 2) oder
- d) 2 Heizleitungen und 1 Gittersteuerleitung miteinander verseilt, darum Leithülle und konzentrischer Hochspannungsleiter,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Leiter (Innenleiter) als Litzen
(1, 7, 8) bzw. als Umseilung allein aus ferromagnetischen Drähten
oder in Kombination mit Kupfer- oder Silberdrähten ausgebildet
sind.
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