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Einrichtung zum Betriebe von Röntgenröhren Zur Erzielung sehr kurzzeitiger
Belastungen von Entladungsröhren, insbesondere Röntgenröhren, ist es bekannt, in
den Hochspannungskreis in Reihe mit der Röntgenröhre eine Ventilröhre mit Steuergitter
einzuschalen. Mit einer solchen gesteuerten Ventilröhre ist es möglich, den Röntgenröhrenstrom
trägheitslos ein- und auszuschalten.
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Diese bekannten Einrichtungen haben den Nachteil, daß die gesteuerte
Ventilröhre einen verhältnismäßig großen Durchgriff aufweisen muß, da der Spannungsabfall
in dieser Röhre gegenüber der an der Röntgenröhre liegenden Spannung klein sein
soll. Infolge des großen Durchgriffs der Steuerröhre ist jedoch zur Unterdrückung
des durch die Röhre fließenden Stromes eine sehr hohe negative Gitterspannung erforderlich
(3o bis 40 °/o der Röntgenröhrenspannung). Durch den für die Erzeugung der hohen
Gitterspannung notwendigen Hochspannungserzeuger wird die Einrichtung nicht unerheblich
verteuert. Außerdem macht es große Schwierigkeiten, die im Hochspannungskreis liegende
Steuerröhre von einer geerdeten Steuerstelle (z. B. dem Schalttisch) aus zu steuern.
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Es ist auch bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der in den
Primärstromkreis des Hochspannungstransformators eine Dampfentladungsröhre mit Steuergitter
eingeschaltet ist. Derartige Entladungsröhren (Ouecksilberdampfgleichrichter oder
Stromtor) haben gegenüber den Vakuumröhren den Vorteil, daß sie einen sehr geringen
Spannungsabfall aufweisen und das Schalten starker Ströme ermöglichen. Allerdings
ist es nachteilig, daß bei diesen Entladungsröhren der Röhrenstrom vom Steuergitter
nicht beeinflußt werden kann, sondern erst zu fließen aufhört, wenn die Anodenspannung
zu Null geworden ist. Bei der bekannten Einrichtung wird zur Erzielung verschiedener,
genau definierter Schaltzeiten ein Kondensator über verschieden große Widerstände
entladen und durch den Entladungsstrom das Gitter der Dampfentladungsröhre gesteuert.
Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß der Primärstrom des Hochspannungstransforma=
tors nicht in einem beliebigen Zeitpunkt, sondern nur in dem Augenblick unterbrochen
werden kann, in dem die Anodenspannung zu Null geworden ist. Die Forderung, Zeiten,
die kürzer sind als eine Halbperiode,-genau zu schalten, ist deshalb bei dieser
bekannten Einrichtung nicht erfüllt.
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Alle diese Nachteile werden bei einer Einrichtung zum Betriebe von
Röntgenröhren, bei der das Ein- und Ausschalten des Röhrenstromes
verzögerungsfrei
mittels einer oder mehrerer in den Prirriärstromkreis des Hochspannungstransformators
eingeschalteter Gas- bz«. Dampfentladungsröhren mit Steuergitter erfolgt, dadurch
vermieden, daß erfindungsgemäß eine 'Vorrichtung vorgesehen ,wird, mit der periodisch
in einem beliebig einstellbaren Zeitpunkt innerhalb einer Halbperiode des Wechselstromes
dem oder den Steuergittern der Entladungsröhren sowohl eine positive (Einschalten)
als auch eine negative Spannung bei gleichzeitigem Verschwinden der Anodenspannung
(Ausschalten) zugeführt wird. Zum Ausschalten des durch die Entladungsröhre fließenden
Stromes genügt es, wenn bei negativ geladenem Gitter die Anodenspannung der Entladungsröhre
für ganz kurze Zeit verschwindet. Dies wird in bekannter Weise dadurch erreicht,
daß man durch eine Kondensatorentladung entweder der Anode einen negativen Spannungsstoß
oder der Kathode einen positiven Spannungsstoß zuführt, so daß wenigstens kurzzeitig
die Anodenspannung zu Null wird.
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Die beschriebenen Steuergitterentladungsröhren sind in der Starkstromtechnik
für die Lösung verschiedener Aufgaben von Bedeutung und bekannt, z. B. für die Umformung
von `'Wechsel- in Gleichstrom und umgekehrt sowie für die Umrichtung von Wechselströmen
(Umformung eines Wechselstroms bestimmter Frequenz in einen Wechselstrom höherer
oder niedrigerer Frequenz).
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Es ist bei Anordnungen zur Regelung der Stromstärke in Lichtbogengleichrichtern
bereits bekannt. besondere Schaltanordnungen vorzusehen, mittels deren man die Phasen
der Spannung an der Elektrode und der Steuerelektrode nach Belieben verschieben
kann derart, daß der Lichtbogen zwischen der Anode und der Kathode nur innerhalb
zweier nach Belieben bestimmbarer Zeitpunkte aufrechterhalten bleibt.
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In den Fig. i und 3 sind Ausführungsbeispiele der neuenEinrichtung
ihrerSchaltungsanordnung nach dargestellt, aus denen ersichtlich ist, daß durch
den Einbau von Gas- oder Dampfentladungsröhren in den Primärstromkreis eines Röntgenapparates,
unter teilweiser Zuhilfenahme von aus der Starkstromtechnik bekannten Schaltungselementen,
sich eine Reihe von wichtigen Vorteilen für den Betrieb von Röntgenröhren erzielen
lassen.
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Die Fig. i zeigt die Schaltungsanordnung hei einem Halbwellenröntgenapparat.
Der Hochspannungstransformator i speist sekundärseitig die Röntgenröhre 2 und ist
primärseitig über die Steuerröhre 3 an das Netz angeschlossen. Die Steuerröhre 3
sperrt während der unbelasteten Halbwelle den Primärstrom des Transformators, wodurch
das für die Röntgenröhre schädliche und gefährliche Ansteigen der Röhrenspannung
während der unbelasteten Halbwelle vermieden ist. Zum 1?in- und. Ausschalten des
Transformators wird ,in das Gitter der Steuerröhre 3 eine positive und negative
Spannung angelegt. Die Höhe der Transformatorspannung kann durch '%'eränderung des
in jeder Periode gleichen Einschalt- oder Zündzeitpunktes geregelt werden. Die Vorrichtung
zum Einstellen der Gitterspannung besteht in an sich bekannter Weise aus einer Gleichspannungsbatterie
.I, die über eitlen Schalter 5 entweder direkt mit ihrem negativen Pol mit dem Gitter
verbunden wird (Ausschaltvorgang) oder die während des Betriebes der Röntgenröhre
über eine umlaufende Kontaktvorrichtung 6 dem Gitter der Steuerröhre 3 abwechselnd
negative oder positive Spannung zuführt. Die Kontaktvorrichtung wird von einem synchron
mit der Netzspannung laufenden Synchromnro.tor 7 angetrieben. Die Bürste 8 der Kontaktvorrichtung
6 ist verstellbar, so daß der Zündzeitpunkt, d. h. die Verbindung des Gitters der
Steuerröhre 3 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsbatterie d., in einen beliebigen
Zeitpunkt der Spannutrgszeitkurvegelegt werden kann.
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In der Fig.2 sind Diagramme der Spannungszeitkurve mit verschieden
gewähltem Zündzeitpunkt dargestellt. Bei cz erfolgt die Einschaltung des Transformators
i im -Maximum der Spannungszeitkurve, so daß der Transformator die volle Netzspannung
erhält. Bei h und c ist der Zündzeitpunkt später gelegt, so daß dem Transformator
i eine niedrigere Spannung zugeführt wird.
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Wie aus der Fig. i ersichtlich ist, kann durch Verstellen der Bürste
8 die der Röntgenröhre 2 zugeführte Spannung von Null bis zum Höchstwert geregelt
werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, zwei verschiedene Spannungen, z.
B. für Durchleuchtung und Aufnahme, dadurch einzustellen, daß eine zweite Bürste
auf der Kontaktvorrichtung 6 angebracht wird.
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Anstatt dem Gitter der Steuerröhre mittel einer umlaufenden Kontaktvorrichtung
eine zerhackte Gleichspannung zuzuführen, kann man das Gitter auch an eine Wechselspannung
legen, deren Phase gegenüber der Phase der Netzspannung verschoben werden kann.
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Der Betriebsschalter 5 (Fig. i) kann für Röntgenaufnahmen in bekannter
Weise mit einem Zeitrelais verbunden werden, wobei e unter Umständen vorteilhaft
ist, zum Antrieb des Zeitrelais den Synchronmotor j zu verwenden.
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Während die Einschaltung des Primärstromes des Transformators ohne
Verzögerung erfolgt, fließt der Strom nach der Ausschaltung
(Anlegen
der negativen Spannung an das Gitter der Steuerröhre) noch so lange, bis die Anodenspannung
der Steuerröhre den Wert Null erreicht hat.
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Soll der Strom zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden,
so kann, wie bereits erwähnt, die Löschung durch eine Kondensatorentladung bewirkt
werden.
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, verändert die Spannungsregelung
durch Änderung des Zündzeitpunktes bei einphasigem Betrieb auch die Dauer des Stromflusses
während einer Halbperiode. Die Stärke des Stromes ist bei einer Röntgenröhre durch
den Grad der Heizung bestimmt. Wird nun die Dauer des Stromflusses während einer
Halbperiode durch die Spannungsregelung verändert, so ändert sich damit auch der
zeitliche 'Mittelwert des Röhrenstromes. Dieser Umstand kann z. B. in folgender
Weise ausgenutzt werden: Röntgenapparate, bei denen die Röntgenröhre im ungesättigten
Zustand betrieben wird (kleiner Durchgriff der Röntgenröhre), bieten den Vorteil,
daß der Röntgenröhrenstrom von der Heizung praktisch unabhängig ist und daß bei
gleichem Scheitelwert der Spannung die mitlere Härte der Röntgenstrahlen größer
und der Wirkungsgrad der Röntgenstrahlenerzeugung besser ist als bei Betrieb der
Röntgenröhre in gesättigtem Zustand. Dagegen haben diese Apparate den Nachteil,
daß zu jedem Spannungswert ein bestimmter Stromwert gehört, der auch durch Änderung
der Heizung nicht geändert werden kann. Beim Gegenstand der Erfindung ist man nun
in der Lage, bei gleichem Scheitelwert der Spannung, auch bei Verwendung von Röntgenröhren
mit kleinem Durchgriff, die Stromstärke dadurch zu ändern, daß man den Ein-und Ausschaltzeitpunkt
des Primärstromes entsprechend verändert.
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Da die Regelung der `Spannung und des Stromes trägheitslos erfolgt,
kann man bei kurzzeitigen Röntgenaufnahmen den durch die Röntgenaufnahme oder eine
andere plötzliche Belastung (Fahrstuhl u. a.) hervorgerufenen Netzspannungsabfall
augenblicklich durch Verwendung selbsttätiger Regelvorrichtungen ausgleichen. Beispielsweise
kann man bei Verwendung einer Kontaktvorrichtun'- (Fig. i ) die Bürstenverstellung
entsprechend der Netzspannungsschwankung selbsttätig erfolgen lassen. Auch läßt
sich auf diese Weise die zweckmäßigste Brennfleckbelastung, die bisher durch Veränderung
der Röhrenheizung nur unvollkommen bewerkstelligt wurde, einwandfrei erzielen.
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Die Fig.3 zeigt die Schaltungsanordnung bei einem Drehstromröntgenapparat
in Graetzschaltung. Bei Vorhandensein eines Drehstromnetzes geht man zweckmäßigerweise
so vor, daß man- den Drehstrom in Wechselstrom von nahezu rechteckiger Spannungskurvenform
umrichtet und diesen @-#,'echselstrom einem einphasigen Röntgenapparat in Graetzscher
Schaltungsanordnung zuführt. An der Röntgenröhre liegt dann, ebenso wie bei einem
Drehstromröntgenapparat in Graetzscher Schaltungsanordnung mit sechs Ventilröhren,
eine wenig pulsierende Gleichspannung.
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Der von dem Vortransformator oder dem Drehstromnetz 9 gelieferte Drehstrom
wird, wie es das Spannungszeitdiagramm (Fig 4.a) zeigt, durch die Steuerröhren io
und ii (Fig. 3) in Wechselstrom von rechteckiger Spannungskurvenform und 1,5facher
Frequenz umgerichtet. Dieser Wechselstrom wird im Hochspannungstransformator 12
hochtransformiert, durch den Vierventilgleichrichter 13 in Graetzscher Schaltungsanordnung
gleichgerichtet und der Röntgenröhre i4-zugeführt. Die rechteckige Spannungskurv
enform des Wechselstromes wird im Hochspannungstransformator 12 etwas abgerundet,
so daß die an der Röntgenröhre 14 liegende Gleichspannung in jeder Halbperiode momentan
auf den Wert Null heruntergeht (Fig.4b). Diese Spannungskurvenform ist nicht nachteilig
und hat eher den Vorteil, daß die Röntgenröhre durch den stoßweisen Betrieb weniger.
beansprucht ist als bei Betrieb an einem üblichen Drehstromröntgenapparat.
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Die Umrichtung des Drehstromes in Wechselstrom erfolgt in folgender
Weise (Fig. 3) Vor den Anoden 15 bis 2o befinden sich die Steuergitter 21 bis 26,
denen von den Spannungsquellen 27 bzw. 28 über die von dem Synchronmotor
29 angetriebene Kontaktvorrichtung 3o abwechselnd positive und negative Spannung
zugeführt wird. Die zur Einleitung der Zündung erforderliche positive Spannung wird
an die Steuergitter in der Reihenfolge 26, 21, -25, -23, 2.a., 22 USW.
angelegt.
Dabei ist es notwendig, daß vor dem Zünden einer Anode jeweils die vorhergehende
Anode gelöscht wird. Wie sich aus der Reihenfolge ergibt, werden die Anoden in den
Entladungsgefäßen io und i i abwechselnd gezündet. Zur Löschung der Entladung ist
zwischen die beiden Kathoden 31 und 32 der Entladungsgefäße io und ii in an sich
bekannter Weise der Kondensator 33 geschaltet. Dieser Kondensator führt beim Zünden
einer Anode des Entladungsgefäßes i i der Kathode 31 des Entladungsgefäßes io einen
positiven Spannungsstoß zu, so daß die Anodenspannung des Entladungsgefäßes io kurzzeitig
verschwindet. Da die Gitterspannung des zugehörigen Gitters bereits
vorher
negativ geworden ist, so erlischt die Entladung in diesem Gefäß. Dasselbe geschieht
in umgekehrter Weise bei der darauffolgenden Zündung einer Anode in dein Entladungsgefäß
io.
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Um in jedem beliebigen Zeitpunkt den durch die Primärwicklung des
Transformators 12 fließenden Strom unterbrechen zu können, sind in den Entladungsgefäßen
io und ii je eine vierte Löschanode 34. und 35 mit den zugehörigen Steuergittern
36 und 37 angeordnet. Die Löschanoden 34 und 35 sind an den Kondensator 3S angeschlossen,
der von einer Gleichspannungsquelle 39 über den Widerstand 4o aufgeladen ist. Die
Steuergitter 36 und 37 sind an die Kontaktscheiben .4i und 42 der umlaufenden Kontaktvorrichtung
3o derart angeschlossen, daß jeweils, wenn im Augenblick der Abschaltung beispielsweise
das Entladungsgefäß io in Betrieb ist, die Löschanode 35 des Entladungsgefät')es
i i benutzt wird und umgekehrt. Wird der Betriebsschalter .13 in die Aus-Stellung
gebracht, so liegt an sämtlichen Steuergittern negative Spannung und lediglich das
Gitter der jeweils benutzten Löschanode führt positive Spannung. Durch das Zünden
der Löschanode wird die zuletzt in Betrieb befindliche Arbeitsanode gelöscht. Über
die Löschanode selbst fließt nur ein ganz kurzer Stromstoß, der von dem Kondensator
3S geliefert wird. Die Stromnachlieferung aus der Spannungsquelle 39 über den Widerstand
.Io ist so gering, daß sie praktisch vernachlässigt werden kann.
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Mit der beschriebenen Anordnung ist es also möglich, aus einem Drehstromnetz
dreiphasigen Strom zu entnehmen und mittels eines einphasigen und daher erheblich
billigeren Röntgenapparates praktisch das gleiche zu erreichen wie mit einem üblichen
Drehstromröntgenapparat. Die Spannungsregelung, die bei Drehstrornröntgenapparaten
besondere Schwierigkeiten macht, kann, wie bereits beim Ausführungsbeispiel des
Halbwellenapparates erwähnt, durch Bürstenv erschiebung in einfacher Weise und absolut
kontinuierlich vorgenommen werden. Außerdem kann der Apparat mittels einer besonderen
Löschvorrichtung in jedem Zeitpunkt ohne Verzögerung abgeschaltet werden, wodurch
eine bisher nur mit hochspannungsseitig angeordneten Gitterschaltröhren erzielte
Schaltgenauigkeit erreicht werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung für die
Steuerung des Apparates durch ein 31i11iampere-Sekunden- oder Dosisrelais. Bei solchen
Relais kann man bekanntlich die bei der bisher üblichen mechanischen Schaltung mittels
Schützanordnungen auftretenden Fehler nicht in der Eichung berücksichtigen, da die
Belichtungszeit nicht konstant ist. Diese Schwierigkeit ist bei der neuen Anordnung
völlig vermieden.
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Aus der Schaltungsanordnung gemäß Fig.3 ist auch ersichtlich, daß
durch die Verwendung von gittergesteuerten Entladungsgefäßen ein für Einphasenbetrieh
gebauter Röntgenapparat an ein Drehstromnetz angeschlessen und als Drehstromröntgenapparat
betrieben «-erden kann.
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In an sich bekannter Weise kann mittels der Entladungsröhren zur Ersparung
rotierender Umformer der Netzgleichstrom in Wechselstrom umgeformt, oder in anderen
Fällen die -Netzfrequenz (z. B. 25 Per.) in eine andere Frequenz (z. B.
50 Per.) umgerichtet «-erden.