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Sich selbsttätig regelnder Röntgenapparat Die Belastbarkeit von Röntgenröhren
für röntgendiagnostische Zwecke ist von der Brennfleckgröße, der Art der Wärmeableitung
vom Brennfleck, der Wärmekapazität der Anode sowie vom Anodenmaterial abhängig.
Die zulässige Leistung (kW) sinkt datier mit der Eiuschaltdauer. Ist z. B. für i
Sek. die Leistung `- zulässig, so kann man für o,1 Sek. beispielsweise mit 1,4 1'
belasten, während für z. B. 5 Sek. o,6i A- zugelassen werden können. Der Betrag
von N kann bei den verschiedenen Röhrentypen sehr verschieden sein; praktisch
wird er zwischen 5 und 2o kW liegen. Aber auch die vorerwähnten Faktoren (r,4 für
o,1 Sek. bzw. o,6 für 5 Sek.) weichen bei den verschiedenen Röhrentypen voneinander
ab.
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Moderne Röntgenapparate sind nun derart gebaut, daß sie diese eigenartige
Belastungscharakteristik der Röntgenröhre selbsttätig erfüllen (automatisierte Röntgenapparate).
Da jedoch im praktischen Röntgenbetrieb die Röhrenspannung zwischen etwa 5o und
zoo kV schwankt, muß die Röhrenstromstärke sowohl abhängig von der Zeit als auch
gegenläufig mit der Röhrenspannung verändert werden.
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Fig. i der Zeichnung stellt graphisch die I@@:@hreubelastbarkeit dreidimensional
dar. Die gewölbte Fläche _-1-B-C-D gibt den jeweils zulässigen Röhrenstrom abhängig
von Zeit und Röhrenspannung wieder; diese Fläche soll nun in möglichst befriedigender
Annäherung erreicht werden. Praktisch wird dies im allgemeinen in der Weise gelöst,
daß im Primärstromkreis des Heiztransformators Widerstände eingeschaltet oder auch
Spannungsbeträge zu- oder gegengeschaltet werden, die mit dem Regelorgan für die
Röhrenspanming, mit dem Zeitwähler oder mit beiden gemeinsam gekuppelt sind. In
vielen Fällen wird diese zeit- bzw. spannungsgekuppelte Röhrenstroinverstellung
in Stufen vorgenommen. Eine sich automatisch bei drei Zeit- und drei Spannungsgruppen
ergebende Automatisierung ist in Fig. i eingetragen.
Nun ist der
röntgenphotographische Effekt, also die Filmschwärzung etwa proportional
J # t # U4, wobei J
der Röhrenstrom, t die Belichtungszeit
und U die Röhrenspannung sind. Die Faktoren J # t (mAs) und
U (kV-Röhrenspannung) sind daher die beiden Größen, die die richtig belichtete Röntgenaufnahme
charakterisieren. In Fig. 2 ist das Produkt J # t als Funktion von
Röhrenspannung kV und Zeit t eingetragen, wobei die Fläche E-F-G-H der Belastungscharakteristik
der Röntgenröhre entspricht. Man erkennt, daß sich die stufenweise Automatik derart
auswirkt, daß z. B. an den Übergangsstellen das mAs-Produkt bei der Verlängerung
der Zeit nicht, wie es der Leistungscharakteristik entspricht, ansteigt, sondern
(und damit der röntgenphotographische Effekt) absinkt. Bei einer Erhöhung der Spannung
sinkt das mAs-Produkt sprunghaft, so daß trotz der Spannungserhöhung der röntgenphotographische
Effekt zunächst sinkt.
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Zu diesen Unvollkommenheiten kommt noch eine weitere, die in dem Spannungsabfall
des Hochspannungsgenerators und des Netzes begründet ist. Selbst bei völliger Erfüllung
der Röhrenstromautomatik im Sinne der Fläche A-B-C-D in Fig. i oder der Fläche E-F-G-H
in Fig. 2 tritt durch den Netzspannungsabfall und durch die Spannungsabfälle im
Apparat ein Absinken der Röhrenspannung auf. Da die vierte Potenz der Röhrenspannung
für den röntgenphotographischen Effekt maßgebend ist, ändert sich dieser sehr stark.
Zur Übertragung der Aufnahmebedingungen von einem Röntgenapparat auf einen anderen
ist die Kenntnis der wahren Röhrenspannung und ihre richtige Einstellung erforderlich.
Ihre Ermittlung ist jedoch in vielen Fällen nur über Eichkurven möglich. Man hat
zwar versucht, den Spannungsabfall des Apparates durch geringe Innenwiderstände
klein zu machen. Abgesehen davon, daß diese Methode zu einem großen Materialaufwand
führt und geiade wegen des kleinen Spannungsabfalls bei Röhrenstörungen leicht zu
Röhrendefekten führt, ist sie außerdem an Netzen mit hohen Eigenwiderständen nicht
erfolgreich.
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Man hat auch vorgeschlagen, eine Anzeige der wahren Röhrenspannung
dadurch zu erreichen, daß man von der Leerlaufspannung ein Korrekturglied abzieht,
das röhrenstromproportional ist.
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Dies ist nur exakt durchführbar, wenn man lediglich röhrenstromproportionale
Spannungsabfälle hat, was aber nur bei dem Netzwiderstand Null, jedoch nicht bei
praktisch vorkommenden Netzwiderständen der Fall ist. Auch ein, Ausgleich des Spannungsabfalls
dadurch, daß eine röhrenstromproportionale Korrektur der Primärspannung vorgenommen
wird, gibt aus den gleichen Gründen keine befriedigenden Resultate, abgesehen davon,
daß dieses Korrekturglied in seiner Größe sowohl von der Zeit als auch von der Röhrenspannung
abhängt, wie aus Fig. i zu entnehmen ist. Man kann sagen, daß bei einer Maßnahme
zur Kompensation oder Anzeige des Spannungsabfalls, die vom Röhrenstrom ausgeht,
immer der Netzwiderstand als vernachlässigbar klein angenommen wurde; da dies in
der Praxis jedoch selten der Fall ist, waren die bisherigen Lösungen nicht befriedigend.
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Hier bringt die Erfindung mit geringem Aufwand eine wesentliche Verbesserung.
Die Erfindung berücksichtigt auch den Netzspannungsabfall; ihr liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß bei einem bestimmten Verhältnis der netzseitig vor dem Autotransformator
liegenden Widerstände zu den hinter dem Autotransformator liegenden Widerständen
der Abfall der Röhrenspannung über dem ganzen Spannungsregelbereich gleich ist,
wenn die Röhrenleistung konstant gehalten wird.
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Es ist daher möglich, den Spannungsabfall des Röntgenapparates über
seinen ganzen Spannungsregelbereich auszugleichen, wenn die Unterspannung des Hochspannungstransformators
um einen gewissen, von der Röhrenleistung abhängigen Betrag erhöht wird.
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Nachstehende Betrachtung möge die Grundlage dieser Spannungskompensation
erläutern.
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In Fig. 3 ist das stark vereinfachte Schema eines Röntgenapparates
zum Zweck der Betrachtung der Spannungsabfälle dargestellt. Darin bedeutet i den
Autotransformator und 2 den Hochspannungstransformator. UN ist die Netzspannung,
während Rn# den Widerstand des Netzes bis zum Autotransformator darstellt. RA ist
der auf die Ausgangsseite bezogene Widerstand des Autotransformators, RH der auf
die Oberspannungsseite desHochspannungstransformators reduzierte Widerstand des
Hochspannungstransformators einschl. der gegebenenfalls vorgesehenen Gleichrichterröhren.
ist das Übersetzungsverhältnis des Autotransformators,
ist das Übersetzungsverhältnis des Hochspannungstransformators.
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Die Errechnung des Gesamtwiderstandes der Schaltung ergibt dann auf
die Oberspannungsseite des Hochspannungstransformators bezogen SR=RH+RA.XH2-#-R`..X.q2-Xrr2.
Stellt man R als Funktion von Ur oder UZ dar, so erhält man die Addition eines konstanten
Gliedes RH + RA # Xttz und eines quadratischen Gliedes R y
. XA2. XH2, wie in Abb. 4a dargestellt. Der Regelbereich, in dem erreicht
werden soll, daß bei einer bestimmten Röhrenleistung der Spannungsabfall konstant
ist, und der von z. B. 5o kVs bis ioo kVs für U$ reicht, ist in Fig. 4a eingetragen,
seine Grenzwerte sind I und Il. Da die Röhrenleistung konstant sein soll, ändert
sich in diesem Bereich der Röhrenstrom um einen Faktor 2, wie Fig. 4b zeigt.
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Damit der Spannungsabfall über den ganzen Regelbereich konstant wird,
muß in erster Annäherung das Produkt J # R für den Punkt I gleich dem für Punkt
II wirr. Dies wird nur für ein bestimmtes Verhältnis erreicht, nämlich, wie die
Rechnung ergibt, wenn
ist. Unter diesen Bedingungen erhält man, wenn als Parameter die Röhrenleistung
aufgetragen wicd, Parallelverschiebungen der Röhrenspannungswerte, wie Fig. 5 zeigt.
Es genügt also für den ganzen Spannungsregelbereich für die Kompensation des Spannungsabfalles,
um
die Röhrenspannung auf die Leerlaufspannung des Transformators zu bringen, für die
Leistung Ni die Zusatzspannung Ui, für die Leistung N2 die Zusatzspannung UZ usw.
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Fig. 6 zeigt den Verlauf der Zusatzspannung U als Funktion der Röhrenleistung
für eine bestimmte Netzkonstante, die zweckmäßig derart gewählt ist, daß die meisten
Netzanschlüsse ihr entsprechend oder gegebenenfalls durch einen Abgleichwiderstand
auf den entsprechenden Wert gebracht werden. Praktisch erfüllt beispielsweise eine
Netzkonstante von setzungsgemäß dabei die inneren Apparatewiderstände
(Ohm / Volt2) diese Bedingung. Es sind vorausso zu bemessen, daß sie der Gleichung
(i) entsprechen.
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Bei Erfüllung dieser Voraussetzungen läßt sich nunmehr sehr einfach
ein Ausgleich des Spannungsabfalles bewirken. Da die Leistung der Röntgenröhre nur
zeitabhängig veränderlich ist, braucht nur das Einstellorgan der Schaltzeit mit
einem entsprechenden Glied gekuppelt zu werden, das die Zusatzspannung regelt. In
Fig: 6 ist dies näher erläutert. Beispielsweise ist die Röhrenleistung bei kürzester
am Apparat vorhandener Schaltzeit `',,- so, daß zum Ausgleich des Spannungsabfalles
Uh- zugeführt weiden muß. Mit zunehmender Zeit sinkt die Röhrenleistung bis auf
die der längsten Schaltzeit zugeordnete Leistung N`, bei der zur Spannungskompensation
Ul. Volt erforderlich sind.
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Um die Schaltmittel und die Schaltleistungen für die Spannungskompensation
klein zu halten, wird die Kompensationsspannung in ein konstantes Glied A und ein
zeitabhängig von - B bis + B veränderliches Glied zerlegt.
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Diese Auflösung in zwei Glieder hat ihren besonderen Vorteil, wenn
zwei oder mehrere Röhren verschiedener Leistungen an dem Apparat angeschlossen sind.
Dies ist aus Fig. 7 ersichtlich; an zwei verschieden belastbaren Röntgenröhren soll
der Spannungsabfall ausgeglichen werden. Man kann dann ohne großen Fehler das zeitaghängige
Glied B gleich lassen und paßt nur das konstante Glied A, bzw. AZ der jeweils entsprechenden
Röhre an.
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Die schaltungsmäßige Durchbildung eines Röntgenapparates nach der
Erfindung zeigt schematisch die Fig. B. Es ist hier als Beispiel eine Anordnung
mit zwei Röntgenröhren verschiedener Belastbarkeit dargestellt.
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Zunächst muß dafür gesorgt werden, daß die Röhrenstromänderung als
Funktion der Zeit und der Röhrenspannung den derLeistungscharakteristik jeder Röhre
entsprechenden Verlauf besitzt, wie er z. B. in Fig. i durch die Fläche A-B-C-D
gegeben ist. Hierfür sind beispielsweise auf der Spannungsregelachse i sowie auf
der Zeitregelachse 2 Widerstände 3 und 4 angebracht, deren Widerstandsverläufe derart
bemessen sind, daß sie diese Forderung erfüllen. Ein Einstellwiderstand 5 erlaubt
es, beide Röhren abzugleichen. Die Heizung der Kathoden der Röntgenröhren 17 und
18 erfolgt über einen Heizwandler i9. Gespeist wird der Heizkreis in bekannter Weise
über einen Spannungsgleichhalter 6 aus dem Autotransformator 7. Es ist zweckmäßig,
die beiden oder gegebenenfalls mehrere Röntgenröhren nach einer ähnlichen Belastungszeit-Charakteristik
zu belasten. Hiermit ist gemeint, daß Röhren benutzt oder die Röhren derart automatisiert
werden, daß für jede Belastungszeit das Verhältnis der Röhrenleistungen gleich ist.
Dieses Verfahren ist zweckmäßig, da dann die für derartige Apparate erforderliche
Anzeige des Milliamperesekundenproduktes auf einer einzigen logarithmischen Skala
erfolgen kann. Unterschiede in der Belastbarkeit der Röhren werden also dadurch
berücksichtigt, daß die Skala oder das Anzeigeglied nur um einen dem Belastungsverhältnis
entsprechenden Betrag verschoben werden.
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Der Autotransformator 7 ist an das Netz 8 gelegt. Ein Widerstand
9 dient dazu, den Netzwiderstand auf den richtigen Betrag zu bringen. Ein
Regler io hat den Zweck, bei Spannungsunterschieden im Netz den Autotransformator
auf die richtigen Spannungsverhältnisse zu bringen, die durch ein Voltmeter ii angezeigt
werden. Der Hochspannungsgenerator besteht aus dem Transformator 12, dessen Oberspannung
über Ventilröhren 13 gleichgerichtet wird und über die Kontakte 14 und
15 eines Umschalters 16 wahlweise auf eine der beiden Röntgenröhren
17 und i8 geschaltet werden kann.
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Die Zufügung des zum Spannungsabfallausgleich erforderlichen Spannungsbetrages
U erfolgt in der «"eise, daß der Betrag A unmittelbar auf einer Wicklung 2o des
Autotransformators 7 für jede Röhre einzeln abgegriffen wird, während der Abgriff
des Betrages B durch ein mit dem Zeitregler gekuppeltes Regelorgan 21 auf einer
Wicklung 22 erfolgt und über den Transformator 23 in die Zuleitung zum Hochspannungstransformator
12 hineingespeist wird.
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Die Zeitschaltung erfolgt durch das Schütz 24, das vom Zeitschalter
25 erregt wird.