DE587218C - Verfahren und Anordnung zum Schutze von Roentgenroehren gegen UEberlastung - Google Patents

Description

In modernen Röntgenanlagen kommt es verhältnismäßig oft vor, daß die Röntgenröhren durch Überlastung ϊ-rstört werden, ■weil große Energiemengen ploizlich zur Verfügung stehen, die sich durch einen Bedienungsfehler über die Röntgenröhre entladen können. Man hat an sich bereits erkannt, daß ein wirksamer Überlastungsschutz einer Röntgenröhre durch eine Erhöhung des ο Spannungsabfalles im Apparat erreicht'werden kann, ist jedoch im allgemeinen der Ansicht, mit möglichst geringem Spannungsabfall arbeiten zu müssen, insbesondere, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Im Gegensatz zu dieser bisher in bezug auf den Betrieb eines Röntgenapparates üblichen Auffassung, daß ein möglichst geringer Spannungsabfall im Apparat als zweckmäßig anzusehen sei, wird gemäß der Erfindung der Spannungsabfall künstlich erhöht durch einen vor die Primärseite des Hochspannungstransformators geschalteten Widerstand, dessen Größe dem gewünschten Betriebszustand der Röhre (angelegte Spannung und Entladungsstrom) entsprechend eingestellt wird, so daß Änderungen der Elektronenemission nur eine Verminderung der Leistungsaufnahme der Röhre bewirken können.

Zur Erklärung der die Röntgenröhre schützenden Wirkung eines solchen Vorschal twiderstandes sind in der Abb. 1 die Spannungscharakteristiken eines bestimmten Apparates dargestellt. Als Abszissen sind die Entladungsstromstärken der Röhre in mA aufgetragen und als Ordinaten die Röhrenklemmenspannungen in kV. Die mit a bis e bezeichneten Kurven stellen die Spannungsabfallkurven bei verschieden eingestellten Leerlaufspannungen dar. Wenn man nun die zueinander gehörenden Werte der Röhrenspannung und des Röhrenstromes miteinander multipliziert, erhält man die Leistungskurven La bis Le in der Abb. 1. Dabei ist die Leistung als Ordinate aufgetragen, während als Abszisse wieder die Röhrenstromstärke benutzt ist. Diese Leistungskurven zeigen, daß es bestimmte Betriebszustände gibt, in denen die Röntgenröhrenstromstärke bei praktisch gleichbleibender Leistung verändert werden kann. Wird eine Röntgenröhre z. B. mit 72 kV und 550 mA betrieben, so ist, wenn 100 kV Leerlauf spannung eingestellt waren, gerade der Scheitelpunkt der Leistungskurve Lc erreicht. Für eine Reihe von regelmäßig wiederkehrenden Röhrenbelastungen kann man den günstigsten Widerstand feststellen, indem man bei verschiedenen Widerstandswerten Teile der Belastungskurve aufnimmt und denjenigen Widerstandswert heraussucht, der dem Scheitelpunkt einer Leistungskurve wenigstens annähernd entspricht. Soll jedoch die Röhre mit einer sehr großen Zahl verschiedener Belastungen betrieben werden, dann wird man zweckmäßig für jede mögliche Röhrenbelastung den zugehörigen Widerstandswert ermitteln.

Dadurch ist es ermöglicht, für einen bestimmten Röntgenapparat die einzustellenden Widerstandsbeträge ein für alle Male tabellarisch oder graphisch zusammenzustellen, so daß sie bequem ablesbar sind. Zur Bestimmung der zu verschiedenen Leistungsbeträgen gehörenden Widerstände verbindet man zunächst die Scheitelpunkte der in der Abb. ι dargestellten Leistungskurven und erhält so die Kurve W₀ für diejenigen Leistungsbeträge, bei welchen die Röntgenröhre betrieben werden darf, ohne daß durch Änderung des Röhrenstromes, z. B. infolge Änderung der Heizstromstärke oder durch Stoßionisation,

¹S die Röhre überlastet wird. Dies gilt mit hinreichender Annäherung auch für die nähere Umgebung der Kurve W₀. Dabei ist vorausgesetzt, daß der sonstige Ohmsche und induktive Widerstand des Apparates unverändert bleibt und nur die Hochspannung und die Elektronenemission der Röhre sich ändern. Die Kurve W₀ gilt demnach nur für einen bestimmten Gesamtwiderstand des Apparates.

Vergrößert man den Gesamtwiderstand des Apparates dadurch, daß auf der Primärseite, ein Ohmscher oder ein induktiver oder ein gemischter Widerstand eingeschaltet wird, so muß man neue Belastungscharakteristiken des Apparates aufnehmen. Die Kurven α bis e (Abb. i) verlaufen dann steiler, und die Stromstärken sind kleiner. Die Leistungskurven werden niedriger und rücken nach der Ordinatenachse des Koordinatensystems zusammen. Man erhält also statt der Kurve W₀ eine andere Kurve.

In der Abb. 2 sind eine Reihe solcher Leistungsmaximakurven W₀, W₁, W₂ ■ ■ · für einen und denselben Apparat und für verschiedene Vorschaltwiderstandsbeträge zusammengestellt. Dabei ist als Abszisse wieder die Röhrenstromstärke und als Ordinate die Klemmenspannung aufgetragen. Ermittelt man eine solche Kurvenschar, deren Kurven in dem in Betracht kommenden Arbeitsbereich möglichst dicht aufeinanderfolgen, so läßt sich für jede Röhrenbelastung der zugehörige Gesamtwiderstand leicht bestimmen.

Das Arbeiten mit dem veränderlichen Widerstand geht in folgender Weise vor sich. Um eine bestimmte Aufnahme zu machen, wird zunächst die Röhrenbelastung in der üblichen Weise festgelegt. Sie sei z. B. zu 300 mA bei 60 kV Scheitelspannung gefunden. Für diese Werte findet man aus der Kurvenschar in Abb. 2, daß der Widerstand W₂ eingestellt werden muß. Danach kann mit dem Apparate gearbeitet werden, ohne daß eine Gefahr für die Röhre besteht, denn die zunächst eingestellten Strom- und Spannungswerte bedeuten ja die höchstmögliche Röhrenbelastung.

Man kann die Handhabung der Röntgeneinrichtung noch wesentlich vereinfachen dadurch, daß man mit dem beweglichen Teil des veränderlichen Vorschaltwiderstandes Einstellorgane für die Werte der Scheitelspannung und des Röhrenstromes derart kuppelt, daß bei dem Einstellen der gewünschten Spannung und des gewünschten Stromes der Vorschaltwiderstand selbsttätig auf den richtigen Wert eingestellt wird. In welcher Weise man z. B. dabei vorgehen kann, zeigt die Abb. 2.. Die verschiedenen Kurven sind derart gleichartig, daß durch Änderung der Teilung auf der Abszissen- oder auf der Koordinatenachse die Kurven sich in Gerade umformen lassen, die durch den Koordinatennullpunkt verlaufen. Wenn man sich den Widerstand auf einen um den Koordinatennullpunkt beschriebenen Viertelkreis verteilt vorstellt, wird von einem um den Koordinatennullpunkt drehbaren Arm jeweils der richtige Widerstand dann eingestellt, wenn man diesen Arm mit Hilfe einer entsprechenden Führung so einstellt, daß ein Punkt von ihm in dem Koordinatennetz dem einzustellenden Wert des Stromes und der Scheitelspannung entspricht.

In der Abb. 4 ist schematisch eine Ausführungsform dargestellt, die auf den obenstehenden Betrachtungen aufgebaut ist.

Mit ι ist eine Drosselspule bezeichnet, deren Windungen auf einen ringförmigen Eisenkern einlagig aufgewickelt sind. Auf der blanktn Wicklung gleitet außen die Kontaktbürste 2, die an einem um den Mittelpunkt der Drosselspule drehbar gelagerten Arm 3 befestigt ist. Der Arm 3 steht mit einem Zahnrad 4 in fester Verbindung, das von einem Zahnsegment 5 angetrieben \vird. Das Zahnsegment 5 ist drehbar um eine Achse 6 gelagert und wird eingestellt mit Hilfe einer auf einer Führungsstange 7 verschiebbar gelagerten Muffe 8, die drehbar an einer Mutter 9 befestigt ist. Die Mutter 9 ist auf einer Schraubspindel 10 gelagert. Diese Schraubspindel 10 wird ihrerseits getragen von einer Muttern, die auf einer Schraubspindel 12 gelagert ist. Die Schraubspindel 12 liegt drehbar in festen Führungen 13 und 14. Durch Kurbeln 15 und 16 können die Muttern 11 und 9 auf gewünschte Werte eingestellt werden. Diese Werte kann man an längs der Schraubspindeln angeordneten Skalen ablesen. Man kann auch andere besondere Ablesemöglichkeiten .schaffen. Zur Einstellung des erforderlichen Vorschaltwiderstandes bedarf es bei einer Ausführungsform, z. B. gemäß Abb. 4, lediglich noch der Einstellung beweglicher Teile auf ge-

wünschte Werte des Stromes und der Scheitelspannung mit" Hilfe der Handkurbeln 15 und 16.

Die oben schematisch beschriebene Ein-Stellvorrichtung bildet nur ein Ausführungsbeispiel. Sie kann je nach dem zur Verfügung stehenden Platz durch andere für diesen Zweck geeignete Mittel ersetzt werden. Aus der Kurvenschar W₀, W₁, W₂ ■ '■ · (Abb. 2) geht zunächst noch nicht hervor,' welche Leerlaufspannung bei dem Apparat eingestellt werden muß, um bei der gewünschten Belastung die gewünschten 60 kV zu erreichen. Diese Schwierigkeit kann man dadurch leicht beheben, daß man mit Hilfe der in der Abb. 1 dargestellten Kurven in die in Abb. 2 dargestellte Kurvenschar W₀, W₁, W₂ . · · die zugehörigen Leerlaufspannungen einträgt, wie dies in Abb. 1 z. B. an der Kurve W₀ geschehen ist.

Wenn man dann die gefundenen Punkte gleicher Leerlaufspannungen miteinander verbindet, erhält man eine zweite Kurvenschar £₆₀, E₈₀, E₁₀₀ . . ., aus der man entnehmen kann, welche Leerlaufspannung vor der Aufnahme eingeschaltet werden muß. In dem erwähnten Beispiel findet man, daß die erforderliche Leerlaufspannung zwischen 80 und 100 kV liegt. Durch Interpolation ergibt sich ein Wert von 87 kV. Die in der Abb. 2 dargestellten Kurvenscharen ermöglichen also in bequemer Weise, für jede gewünschte Röhrenbelastung diejenige Größe des optimalen Vorschaltwiderstandes im Primärkreis des Transformators zu bestimmen, bei der eine unerwünschte Überlastung der Röhre verhindert wird.

Beim Ausbleiben der Röhrenheizung nimmt die Röhrenspannung einen erheblich höheren Wert (die Leerlaufspannung) an, als sich aus der Betriebsspannung ergeben würde. Dem läßt sich in hinreichendem Maß abhelfen, wie aus der Abb. 3 zu erkennen ist. In dieser Abbildung sind in einem willkürlich gewählten Maßstab zwei Belastungscharakteristiken eines Transformators dargestellt, die jede für sich einen (theoretischen) Grenzfall bilden. Der erste Grenzfall besteht darin, daß der gesamte Apparat primär und sekundar rein Ohmschen Widerstand enthält. Der Spannungsabfall ist'dann genau proportional der Röhrenstromstärke, verläuft also gemäß der Geraden OW. Der zweite Grenzfall wird dadurch gebildet, daß der gesamte Apparat, natürlich ohne die Röhrenbelastung, nur induktiven Widerstand enthält. Die Spannungscharakteristik verläuft dabei nach einer mit IW bezeichneten Ellipse oder, bei entsprechender Wahl der Einheiten in dem Koordinatensystem, nach einem Kreis. Von den zugehörigen Leistungskurven stellt die für den rein Ohmschen Widerstand geltende Kurve eine Parabel dar, die mit Lo bezeichnet ist. Das Maximum der Leistung liegt demnach bei der halben Kurzschlußstromstärke. Man muß also, um das Leisfungsmaximum des Apparates, das in dem in der Abb. 3 dargestellten Beispiel bei 75 kV Betriebsspannung liegt, zu erhalten, auf 150 kV einstellen (Spannungsvoreinstellung), d. h. also·, die eingestellte Leerlaufspannung fällt bei Belastung um 50 °/₀ ab.

Die Leistungskurve, die dem Fall des rein induktiven Widerstandes entspricht, ist eine unsymmetrische mit L₁ bezeichnete Kurve, deren Maximum bei einer Spannung liegt, die dem Wert Leerlaxifspanming dividiert durch 1/2 entspricht. Die Maximalleistung bei dieser Kurve- (Beispiel in Abb. 3) liegt bei 1060 mA und 106 kV Betriebsspannung. Die Leerlaufspannung müßte wieder auf 150 kV eingestellt werden. Die zugehörige Stromstärke ist gleich der Kurzschlußstromstärke dividiert durch ]/2.

Aus den obenstehenden Überlegungen geht. hervor, daß bei rein Ohmschem Widerstand die Spannung um 50 °/₀, bei rein induktivem Widerstand nur um etwa 30 °/₀ abfällt. Erfindungsgemäß wird demnach der Regulierwiderstand als möglichst rein induktiver Widerstand, d. h. als regulierbare Drosselspule, ausgebildet, weil man dabei nur einen geringeren Spannungsabfall mit in Kauf zu nehmen braucht.

Besonders vorteilhaft ist es, daß man bei hohen Spannungen und kleinen Röhrenstromstärken infolge der Benutzung des induktiven Vorschaltwiderstandes sich in der Nähe des günstigeren Grenzfalles befindet und erst bei den höchsten Röhrenstromstärken, die mit verhältnismäßig niedrigen Röhrenspannungen zusammenfallen, dem ungünstigeren Grenzfall nähert.

Die Vorteile des Erfrndungsgegenstandes! machen sich besonders bemerkbar bei Ver-Wendung von Hochleistungsröhren, die eine sehr steil verlaufende Emissionscharakteristik haben und dadurch besonders leicht überlastet werden können.

Ist, wie es in manchen Fällen eintritt, die bei Verwendung des Vorschaltwiderstandes unvermeidliche Überspannung unerwünscht, so kann man parallel zur Röntgenröhre eine fest eingestellte Sicherheitsfunkenstrecke einschalten, über die gefährliche Überspannungen sich ausgleichen können.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Schütze von Röntgenröhren gegen Überlastung, dadurch gekennzeichnet, daß ein vor die Primärseite

   des Hochspannungstransformators geschalteter Widerstand jeweils auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß die Röhre bei den gewünschten Betriebswerten (Spannung und Strom) ein Maximum an Leistung aufnimmt, so daß beliebige Änderungen der Elektronenemission nur eine Verminderung der Leistungsaufnahme bewirken können.
2. 2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens gemäß Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß der vor die Primärseite des Transformators geschaltete Widerstand regelbar ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als regelbarer Widerstand eine Drosselspule dient.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Röntgenröhre eine Sicherheitsfunkenstrecke geschaltet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 2, da^ durch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil des veränderlichen Widerstandes mit zwei auf Werte der Spannung bzw. des Stromes einstellbaren Organen derart mechanisch verbunden ist, daß bei Einstellung der Organe auf gewünschte Werte der zugehörige WiderstandsAvert sich selbsttätig ergibt. \

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen