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Verfahren zur Herstellung von Röntgenaufnahmen unter Verwendung eines
Hochspannungskondensators Die Herstellung von Röntgenaufnahmen von äußerst kurzer
Dauer erfordert eine große Stromstärke. Dadurch wird das elektrische Netz, dem man
die benötigte Energie entnimmt, stoßweise schwer belastet. Ein noch größerer Nachteil
ist dabei, daß leistungsfähige Transformatoren, z. B. Dreiphasentransformatoren,
nötig sind, um zu verhindern, daß durch die kurzschlußartige Belastung, durch welche
die elektromotorische Kraft größtenteils im Apparat verzehrt wird, zuwenig Klemmenspannung
übrigbleibt, und um dafür zu sorgen, daß die Phasenlage der Einschaltung auf die
Spannung während der Aufnahme nicht zuviel Einfluß hat.
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Ein bekanntes Mittel zur Vermeidung dieser :Yachteile ist die Verwendung
eines Kondensators. Man kann mit Hilfe eines Spannungstransformators, der nur eine
geringe maximale Leistung zu haben braucht und deshalb verhältnismäßig klein und
leicht sein kann, während einer Zeit, die sehr groß im Vergleich zur Aufnahmezeit
ist, einen Kondensator über einen Gleichrichter mit niedriger Stromstärke aufladen
und die im Kondensator aufgespeicherte Energie dann stoßartig zur Speisung der Röntgenröhren
verwenden. Bei den bisher bekannten, nach diesem Prinzip gebauten Apparaten wird
die Ladestromquelle nach der Beendigung der Kondensatoraufladung abgeschaltet. Würde
man sie nach Einschaltung der Röntgenröhre mit dein Kondensator verbunden lassen,
so würde der Übelstand entstehen, daß der Transformator sozusagen über die Gleichrichtervorrichtung
und die Röntgenröhre kurzgeschlossen wird. Dadurch würde bald nach Beginn der Kondensatorentladung
der Transformator und möglicherweise auch das Leitungsnetz stark überlastet werden,
während die noch verfügbare Spannung zu gering sein würde, eine nutzbare Strahlung
hervorzurufen. Außerdem würde noch die Möglichkeit bestehen, daß diese Spannung,
wenn Ventile mit hohem Widerstand benutzt werden, hauptsächlich von diesen aufgenommen
wird.
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Um diesen Übelstand zu beseitigen, benutzt man, wie bekannt, den Transformatorstrom
dazu, um ein Maximalrelais zu betätigen, durch welches der Transformator vom Netz
getrennt wird, oder man bringt Schaltmittel zur Anwendung, welche die Abschaltung
des Transformators bewirken, ehe die Kondensatorentladung anfängt.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt eine
Verbesserung
der Einrichtung, bei der die in einem Kondensator aufgespeicherte Energie zum Betriebe
der Röntgenröhre verwendet wird. Solche Einrichtungen waren bisher noch mit dem
Mangel behaftet, daß sich die. Aufnahmeenergie nur durch Regelung der Spannung bequem
variieren läßt. Man hat schon versucht, die Energie mittels Strahlenfilter abzustufen,
aber auch hierdurch gelingt es nicht, die Energie willkürlich zu wählen, ohne daß
die Strahlenhärte geändert wird. Überbrückt man den Kondensator während der Entladung,
so geht ein Teil der in ihm aufgespeicherten Energie verloren, und man müßte sehr
große Kondensatoren einbauen, um den Apparat für das ganze Gebiet der Diagnostik
geeignet zu machen. Die Erfindung macht es möglich, bei normalem, unveränderlichem
Wert der Kondensatorkapazität die Aufnahmeenergie zu dosieren.
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Dazu wird erfindungsgemäß ein Teil der Energie durch den Kondensator,
der restliche Teil durch eine kontinuierlich wirkende Stromquelle, gegebenenfalls
den zur Rufladung des Kondensators dienenden Hochspannungstransformator mit Gleichrichtereinrichtung
in .der Weise geliefert, daß während der Kondensatorentladung der innere Widerstand
der Röntgenröhre etwa durch Erniedrigung der Kathodentemperatur oder des den Anodenstrom
steuernden Potentials einer in der Röhre angeordneten Steuerelektrode allmählich
gesteigert wird. Durch diese Maßnahme werden die schon oben angedeuteten Übelstände
vermieden, Dadurch wird der vom Transformator zu liefernde Strom genügend klein
gehalten, um die erforderliche Spannung an der Röhre aufrechterhalten zu können.
Es ist nicht als Nachteil anzusehen, daß bei diesem Verfahren die Stromstärke nicht
konstant bleibt, denn die Röntgenröhre selbst, deren Belastbarkeit natürlich nicht
unbeschränkt ist, kann die während einer sehr kurzen Zeit zulässige Stromstärke
doch nicht dauernd ertragen. Durch die Erfindung wird somit ein Energieverlauf erhalten,
welcher der Belastungscharakteristik der Röhre angepaßt ist. Das erfindungsgemäß
angewandte Verfahren steht auch im Einklang mit den praktischen Erfordernissen der
Aufnahmetechnik, denn für Aufnahmen, die nicht innerhalb der kurzen Zeit der Entladung
eines Kondensators mit für diesen Zweck gebräuchlicher Kapazität gemacht werden
können, kommt es in der Regel auf die Zeitdauer nicht mehr so genau an, . so daß
man durch Verlängerung der Belichtungszeit die Energie beliebig vergrößern kann.
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Die Zeichnung veranschaulicht in den Abb. i und 2 Schaltungsbilder
von zwei Ausführungsbeispielen der Einrichtung gemäß der Erfindung. Entsprechende
Teile sind in den beiden Abbildungen mit denselben Bezugsziffern vermerkt. Beide
enthalten zur bequemen Einstellung der Betriebsbedingungen eine Umschaltvorrichtung
1, welche in der 'Stellung I die Verbindungen für die Durchleuchtung macht und in
einer zweiten Stellung II den Hochspannungskreis der Röntgenröhre q. unterbricht.
Ferner besitzen sie eine zweite Schaltvorrichtung 2, die nur in der Stellung II
der Umschaltvorrichtung i von einem Zeitschalter 3 betätigt werden kann und dann
während einer vorherbestimmten Zeit den Strom durch die Röntgenröhre geschlossen
hält und die Zunahme des Röhrenwiderstandes nach dem Anschalten der Hochspannung
bewerkstelligt. Dabei ist die Umschaltvorrichtung so geschaffen, daß die Herstellung
der Verbindungen zum Herabsetzen des inneren Widerstandes der Röhre mit der Unterbrechung
des Hochspannungskreises der Röntgenröhre verknüpft ist.
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In Abb. i ist mit 5 ein Hochspannungstransformator angegeben, dessen
Hochspannungswicklung über vier in Brückenschaltung liegende Hochspannungsgleichrichter
6, vorzugsweise Metalldampfgleichrichter mit Glühkathode, an eine Kondensatorbatterie
7 angeschlossen ist. Es braucht kaum gesagt zu werden, daß in diesem Zusammenhang
der Begriff Kondensator eine Kombination von parallel oder in Reihe geschalteten
Kapazitäten mitumfassen soll. Drosselspulen 8, welche mit dem Kondensator in Reihe
liegen, sind besonders für die Entladung von Bedeutung. Die Glühkathode g der Röntgenröhre
wird von einem Glühstromtransformator io gespeist. Der Primärkreis dieses Transformators
enthält regelbare Widerstände i i und 12. In der Zuleitung zur Anode i@3 der Röntgenröhre
liegt ein Relaisschalter 14., der von der Spule 15 betätigt wird, in dem Sinne,
daß der Schalter 14 geschlossen ist, wenn kein Strom durch die Wicklung 15 fließt.
In erster Linie kommt hier ein Vakuumschalter in Frage, der imstande ist, ohne Funkenbildung
einen Strom im Hochspannungskreis zu unterbrechen.
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Nimmt die Umschaltvorrichtung i die Stellung I ein, so ist ein Stromkreis
von" dem Wechselstromzuleiter 16, .der mit dem Netz verbunden ist, über den normal
geschlossenen Schalter 18 durch die Primärwicklung des Hochspannungstransformators
5, die Leitung q., über den normal offenen Betriebsschalter ig, das Schaltglied
2o der Umschaltvorrichtung i zum Wechselstr omzuleiter 17 geschlossen.
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Ferner kann ein Strom fließen in dem Kreis von dem Leiter 16 durch
die Primär-
Wicklung des Transformators io, die Widerstände i i
und 12 zum Leiter 17. Die Glühkathode 9 der Röntgenröhre wird von einem schwachen
Strom durchflossen. Solange der Schalter i9 geschlossen gehalten wird, ist der Hochspannungstransformator
in Betrieb, und es können Durchleuchtungen gemacht werden. Legt man die Umschaltvorrichtung
i in die Stellung II um, so wird der Widerstand 12 kurzgeschlossen. Der Primärstrom
des Transformators io fließt dann durch das Schaltglied 22 über die Kontakte 23
und 24. der Schalteinrichtung 2 und durch den Leiter 25 direkt zum Leiter 17. Der
Glühstrom .nimmt nun einen sehr großen Wert an, bei dem die Röntgenröhre nur ganz
kurze Zeit unter Spannung gehalten werden darf. Es kann aber kein Strom durch die
Röhre fließen, weil der Stromkreis vom Leiter 16 durch den Leiter 26, die Spule
15, Leiter 27, Schaltglied 28 über die Kontakte 29 und 30 der Schaltvorrichtung
2, Leiter 25 zum Leiter 17 geschlossen ist, wodurch die Spule 15 den Schalter i¢
in geöffneter Stellung hält.
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Mittels des durch das Schaltglied 2o mit dem Leiter 17 verbundenen
Zeitschalters kann nun während einer vorherbestimmten Zeit ein Strom durch die Betätigungsspule
31 der Schaltvorrichtung :2 geführt werden. Der Zeitschalter kann beliebig ausgeführt
sein und braucht, da solche Schalter allgemein in Röntgenapparaten Verwendung finden,
keine Erläuterung. Wird der Schalter 2 umgelegt, so wird die Verbindung der Kontakte
29 und 30 unterbrochen und dadurch der Strom durch die Spule 15 ausgeschaltet, so
daß der Hochspannungskreis -der Röhre geschlossen wird und die Kondensatorbatterie
7 sich über die Röntgenröhre q., deren Kathode 9 augenblicklich stark emittiert,
entladen kann. Die Drosselspule 8 dient dabei dazu, um, wie an sich bekannt, eine
günstige Form der Röhrenstromkurve und der Röhrenspannungskurve zu erzielen. Die
Durchschnittsenergie während der ersten Zeit der Entladung, z. B. während o, i Sekunden,
beträgt z. B. 3o kW.
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Die Schaltvorrichtung 2 hebt bei ihrem Umlegen den Kurzschluß des
Widerstandes 12 teilweise auf. Gegebenenfalls kann die Einrichtung so. ausgebildet
werden, daß das Aufheben dieses Kurzschlusses mit Verzögerung stattfindet. Der Primärstrom
des Transformators io fließt nunmehr über die Kontakte 23 und 32 und durch .den
Leiter 33 zu einer verstellbaren Anzapfung am Widerstand 12 und somit durch einen
regelbairen Teil des Widerstandes zum Leiter 17. Natürlich ist es möglich, die Regeleinrichtung
des Widerstandes 12 so auszuführen, daß der Widerstand ganz eingeschaltet oder der
Priinärkreis des Transformators io unterbrochen werden kann. Da nun der Glühstrom
der Kathode vermindert, gegebenenfalls unterbrochen wird, nimmt .ihre Temperatur
und dadurch ihre Elektronenemission ab. Man hat es bei der Herstellung oder der
Auswahl der Röhre in der Hand, durch Wahl der Wärmekapazität des Kathodenkörpers
die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur sinkt, einzustellen.
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In dem Maße, in dem die Kondensatorbatterie 7 ihre Ladung verliert,
übernimmt der Hochspannungstransformator 5 mehr und mehr die Stromlieferung zur
Röntgenröhre. Gleichzeitig aber nimmt der innere Widerstand der Röntgenröhre zu,
so daß der Transformatorstroin nicht unzulässig hoch steigt und eine wirksame Spannung
an der Röhre aufrechterhalten bleibt. Die Belastung des Transformators nach Erreichung
des stationären Zustandes beträgt z. B. 5 kW. Nach Ablauf der am Zeitschalter eingestellten
Zeit, die z. B. einige Sekunden betragen kann, legt sich die Schaltvorrichtung 2.
wieder in die erste Stellung, der Anodenkreis der Röhre wird unterbrochen, und-
damit ist die Aufnahme beendet.
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Die Kondensatorbatterie wird nun allmählich wieder aufgeladen, und
man kann dann weitere Aufnahmen machen, oder man legt den Umschalter i wieder in
die Stellung I und kann durchleuchten. Nun könnte aber die Gefahr bestehen, daß
sich durch das Umlegen der Umschaltvorrichtung i in die Stellung I der Kondensator
über die Röntgenröhre mit inzwischen wieder zu hoher Temperatur aufgeheizter Kathode
entladen könnte. Um dies zu verhindern, ist parallel zur Kondensatorbatterie ein
Kurzschlußschalter 34. angeordnet, der von einer Spule 35 betätigt wird und mit
einem Dämpfungswiderstand 36 in Reihe liegt. Die Spule 35 ist mit .dem Durchleuchtungsschalter
i9 in Reihe geschaltet, so daß der Schalter 3.4, wenn die Umschaltvorrichtung i
die Stellung I einnimmt, nur geöffnet werden kann, wenn der normal geöffnete Schalter
i9 von Hand geschlossen wird. In der Stellung II der Umschaltvorrichtung i ist die
Spule 35 durch das Schaltglied 2o eingeschaltet. Man würde auch durch die Zeitschaltvorrichtung
die Unterbrechung des Primärkreises des Hochspannungstransformators nach Ablauf
der Belichtungszeit bewirken können. In der Zeichnung zu dein beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist diese Anordnung nicht dargestellt.
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Will man eine Aufnahme ohne Stromnachlieferung durch den Hochspannungstransformator
machen, so unterbricht man nach Rufladung der Kondensatorbatterie den normal geschlossenen
Schalter 18 und bringt dann den Zeitschalter zur Wirkung. Gewünschtenfalls
kann
man in der Zuleitung zur Spule 35 noch einen vom Zeitschalter zu betätigenden Schalter
anordnen, der für kurze Aufnahmen den Strom durch die Spule 35 unterbricht. Dies
gehört jedoch nicht zu den Merkmalen der vorliegenden Erfindung und bedarf deshalb
keiner weiteren Erläuterung.
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Abb. 2 bezieht sich auf eine Einrichtung, bei der die allmähliche
Zunahme des inneren Röhrenwiderstandes durch eine Hilfselektrode 37, etwa die Sammelvorrichtung
der Kathode, bewirkt wird. Hat das Potential der Hilfselektrode einen bestimmten
negativen Wert, so ist der Widerstand der Röntgenröhre groß. Wird das Potential
weniger negativ oder positiv mit Bezug auf die Glühkathode, so wird der Widerstand
der Röntgenröhre kleiner.
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Um der Hilfselektrode 37 ein bestimmtes Potential geben zu können,
ist ein Hilfstransformator 38 vorhanden. Im Sekundärkreis dieses Transformators
liegen ein Gleichrichter 39, ein Kondensator 40 und gegebenenfalls ein Widerstand
41. Der Kondensator 4o verbindet die Steuerelektrode 37 mit der Glühkathode. In
der Stellung I der Umschaltvorrichtung i wird der Kondensator 4o aufgeladen und
das Potential der Hilfselektrode negativ gemacht, so 'daß der Röhrenwiderstand groß
ist. In der Stellung II wird durch das Schaltglied 21 der Kondensator 40 über einen
Dämpfungswiderstand 43 kurzgeschlossen. Das Potential der Hilfselektrode 37 wird
dann weniger negativ und der Widerstand der Röhre so klein, wie für den Anfangswert
der Aufnahmestromstärke gewünscht wird. Setzt man nun den Zeitschalter 3 in Wirkung,
so wird der Kurzschluß des Kondensators 40 zeitweise aufgehoben, das Gitter nimmt
allmählich wieder den früheren Negativwert an, der Röhrenwiderstand steigt, und
die Stromstärke sinkt. Beim Umlegen der Umschaltvorrichtung i nach der Aufnahme
wird wieder der Strom durch die Spule 35 ausgeschaltet und die Röhre 4 kurzgeschlossen.
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Man muß mit dem Einschalten des Zeitschalters warten, bis sich der
Kondensator 40 entladen hat und der Röhrenwiderstand genügend niedrig ist. Um dies
bemerkbar zu machen, ist eine Glimmlampe 42 parallel zum Kondensator 40 geschaltet.
Wenn diese erlischt, hat der Kondensator seine Ladung verloren. Umgekehrt kann man
sich durch die Lampe 42, die erst beim Erreichen einer bestimmten Spannung am Kondensator
4o wieder zündet, davon überzeugen, ob der Röhrenwiderstand genügend groß ist und
der Schalter i9 für die Durchleuchtung eingeschaltet werden darf.
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Abb-.2 zeigt nur einen Hochspannungsgleichrichter 6 und Erdung der
Glühkathode der Röntgenröhre (bei 45). Der Hochspannungskreis kann jedoch anders
eingerichtet sein, z. B. wie in Abb. i. Umgekehrt ist bei letztgenannter die Brückenschaltung
nicht grundsätzlich.