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Steuervorrichtung für elektrische Entladungsröhren, insbesondere für
Röntgenröhren Zwischen der einer elektrischen Entladungsröhre zugeführten elektrischen
Leistung (Belastung) und der jeweils höchstzulässigen Belastungszeit besteht ein
nichtlinearer Zusammenhang, d. h., der zulässige Energieverbrauch einer Entladungsröhre
während einer einmaligen Einschaltung ist abhängig von der Zeit, in welcher der
Röhre dieser Energiebetrag zugeführt wird. Der Zusammenhang zwischen der Belastung
und der höchstzulässigen Belastungszeit wird durch eine Kurve dargestellt, die dem
Fachmann als Belastungsnomogramm der Röhre geläufig ist.
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In Verbindung mit Röntgenapparaten sind Einrichtungen bekannt, die
auf Grund der eingestellten Röhrenspannung und des eingestellten Röhrenstromes die
zum Schutz der Röhre nicht zu überschreitende Belastungszeit ermitteln lassen. So
ist es bekannt, eine dem Produkt aus Röhrenstrom und Röhrenspannung, also eine dem
Belastungswert einer Röntgenröhre entsprechende Größe einem nichtlinearen Glied
zuzuführen, dessen Kennlinie dem Belastungsnomogramm der verwendeten Röhre entspricht.
Als nichtlineares Glied wird dabei eine mechanische Getriebeanordnung mit einer
der Röhrencharakteristik angepaßten Kurvenscheibe benutzt, die durch die Einstellvorrichtungen
für den Röhrenstrom und für die Röhrenspannung betätigt wird. Derartige mechanische
Lösungen sind
jedochwegen ihres komplizierten Aufbaus und ihres
hohen Preises, der durch die erforderlichen mechanischen Präzisionsarbeiten bedingt
ist, unerwünscht. Andererseits hat man die Größen des Belastungsmonogramms durch
Hilfsspannungen nachgebildet, die den Anzapfungen eines Hilfstransformators entnommen
wurden, und diese Hilfsspannungen dann durch elektrische Addition bzw. Subtraktion
miteinander kombiniert. Dabei hat man auch von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß
man bei Addition von Spannungen, die den Logarithmen der eingestellten Größen entsprechen,
eine dem Logarithmus des Produktes dieser Größen entsprechende Spannung erhalten
kann. Diese bekannte Einrichtung gestattet jedoch wegen der stufenförmigen Anzapfungen
nur einen treppenförmigen Angleich des Belastungsnomogramms. Auch erfordert die
Herstellung der zahlreichen Anzapfungen des Hilfstransformators entsprechend der
Charakteristik der verwendeten Röhre einen großen Aufwand. Beide vorgenannten Einrichtungen
haben daraus weiter den Nachteil, daß beim Einsetzen einer Röntgenröhre mit anderer
Charakteristik komplizierte Eingriffe in die Apparatur vorzunehmen sind.
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Zur Beseitigung der erwähnten Nachteile wird bei einer Steuervorrichtung
für eine elektrische Entladungsröhre, insbesondere für eine Röntgenröhre, bei der
mit den Einstellvorrichtungen für die Röhrenspannung und den Röhrenstrom gekoppelte
Elemente ein nichtlineares Glied, dessen Kennlinie dem Belastungsnomogramm der Röhre
entspricht, derart beeinflussen, daß eine der zulässigen Belastungszeit entsprechende
Größe ermittelt wird, erfindungsgemäß vorgeschlagen, als nichtlineares Glied eine
elektrische Entladungsröhre (Steuerröhre) zu benutzen.
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Die geometrische Übereinstimmung der Kennlinie der Steuerröhre mit
dem Belastungsnomogramm der zu steuernden Röhre läßt sich durch geeignete Auswahl
einer Kennlinie der Steuerröhre (Ja- ug, Ja- UQ, Ja- U92, U92 192 usw.), des Röhrentyps
und durch entsprechende Festsetzung der Maßeinheiten des . Belastungsnomogramms
(z. B. durch Darstellung in doppelt logarithmischen Koordinaten) erzielen, wobei
sinngemäß der Zusammenhang zwischen den Spannungs- und Stromwerten im Stromkreis
der Steuerröhre und den Belastungs- bzw. Belastungszeitwerten des Nomogramms durch
jene Transformationsfunktion zwischen den Koordinatensystemen gegeben wird, die
zur geometrischen Überführung der Kurven erforderlich ist.
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An Hand der Figuren soll der Gegenstand der Erfindung nachstehend
näher erläutert werden. Fig. i zeigt beispielsweise das Belastungsnomogramm einer
Drehanodenröntgenröhre in der üblichen Darstellung, in der die Werte der Röhrenbelastung
in linearem Maßstab als Funktion des I.ögarithmus der Belastungszeit dargestellt
sind. Geht man zur Darstellung der gleichen Kurve im doppelt logarithmischen Maßstab
über, wie dies Fig. 2 darstellt, so erkennt man die Formähnlichkeit dieser Kurve
mit der Jä U,1 -Kennlinie einer Verstärkerröhre (Fig.3). Durch geeignete Wahl der
Meßeinheiten und des Nullpunktes des J"- Ugi-Diagramms kann die geometrische Übereinstimmung
der Kurven mit genügender Genauigkeit erzielt werden, so daß die beiden Kurven in
eine einzige zusammengezogen werden können, die sowohl das Belastungsnomogramm wie
auch die Kennlinie der Steuerröhre im entsprechenden Maß darstellt (Fig. 4).
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Legt man an das Steuergitter der Steuerröhre eine negative Spannung,
deren Größe gemäß der zur Übereinstimmung der Kurven nötigen Beziehung dem Logarithmus
der Röhrenbelastung proportional ist, so stellt sich ein Wert des Anodenstromes
der Steuerröhre ein, der, wieder gemäß der obigen Beziehung, dem Logarithmus der
höchstzulässigen Belastungszeit proportional ist. Eine sich am Arbeitswiderstand
der Röhre ergehende, dem Logarithmus der höchstzulässigen Schaltzeit proportionale
Spannung kann daher entweder direkt zur Steuerung der Schaltzeit verwendet werden,
oder aber es liefert die Subtraktion dieser Spannung von einer dem Logarithmus der
tatsächlichen Schaltzeit in gleicher Weise proportionalen Spannung ein Maß für den
Logarithmus des Verhältnisses zwischen tatsächlicher und maximal zulässiger Belastungsdauer
und damit ein Maß für den Ausnutzungsgrad der Röntgenröhre.
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Das oben geschilderte Prinzip gestattet die Konstruktion einer Reibe
von Steuereinrichtungen, von denen im folgenden beispielsweise eine Ausführungsform
einer Steuervorrichtung für Röntgenröhren geschildert wird, die die stufenlose Einstellung
der zur Aufnahme erforderlichen Werte von kVs, mAsec sowie des prozentuellen Grades
der Röhrenausnutzung gestattet, wobei die Einstellung der Schaltzeit selbsttätig
entsprechend den eingeregelten Werten von mAsec und Grad der Röhrenbelastung erfolgt.
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Abb. 5 und 6 zeigen den mechanischen und elektrischen Aufbau der Vorrichtung.
i ist der Regelknopf, der den Heizwiderstand der Röhre und damit den Röhrenstrom
steuert, 2 der Regelknopf zur Einstellung der Hochspannung und 3 der Regelknopf
zur Wahl des gewünschten mAsec-Produktes. An der Achse von i, der den Heizregler
12 betätigt, ist eine Kurvenscheibe 4 angebracht, die über einen Seilzug die Scheibe
5 antreibt, die auf der Achse der logarithmischen Potentiometer 6 und 7 sitzt. Zweck
der Kurvenscheiben 4 ist es, einen linearen Zusammenhang zwischen dem durch 12 eingestelltenRöhrenstrom
und demDrehwinkel derPotentiometerachsen zu schaffen, so daß die an ihnen abgegriffenen
Teilspannungen dem Logarithmus der eingestellten Röhrenstromstärke proportional
sind. Mit der Achse von 2 und dem Hochspannungsregler 13 ist eine Kurvenscheibe
io verbunden, die über einen Seilzug die Scheibe i i antreibt, die auf der Achse
des logarithmischen Potentiometers 8 sitzt, derart, daß auch hier die abgegriffene-Teilspannung
dem Logarithmus der eingestellten Röhrenspannung proportional ist. Der Regelknopf
3
steuert direkt das Potentiometer g, wobei die abgenommene Teilspannung
durch geeignete Wahl der Skalenteilung und des Widerstandverlaufes dem Logarithmus
des eingestellten mAsec-Produktes proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor
zwischen den Werten der Logarithmen von kVs, InAsec und mA und den sich ergebenden
Teilspannungen hängt von den Spannungen der Stromquellen 1q. und 2S ab, die daher
so zu wählen sind, daß die aus der geometrischen Anpassung der Röhrenkennlinie an
das Belastungsnomogrammfolgende Beziehung zwischen den Maßeinheiten der beiden Diagramme
erhalten bleibt.
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Die zwischen den Schleifern von 6 und 8 entstehende Spannung ist also
der Summe der den Logarithmen von Hochspannung und Röhrenstrom proportionalen Spannungen,
mithin dem Logarithmus des Produktes der beiden, also der Belastung, proportional.
Sie wird dem Steuergitter der Röhre 15 zugeführt, an deren Außenwiderstand
16 ein Spannungsabfall entsteht, der dem Logarithmus der bei dieser Belastung höchstzulässigen
Belastungszeit proportional ist und dessen 1naßstabsgerechte Anpassung durch Wahl
der Größe von 16 und der Größe der Spannung der Spannungsquelle 26 erfolgt.
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Am Potentiometer g ergibt sich eine dem Logarithmus der gewünschten
mAsec-Zahl proportionale Spannung, zu der die an 7 abgegriffene Spannung addiert
wird. Diese Spannung entspricht, infolge des bei gleichem Drehsinn von 6 und 7 umgekehrten
Verlaufs von 7 (linkslogarithmisch) gegenüber dem Verlauf von 6 (rechtslogarithmisch),
dem Logarithmus des r,ziproken Wertes der Röhrenstromstärke, die Gesamtspannung
zwischen den Schleifern von 7 und g daher dem Logarithmus von mAsec : mA und damit
der tatsächlichen Schaltzeit. Am Widerstand 17, dessen Wert groß ist gegenüber jenen
von 16, 7 und g, ergibt sich eine Spannung, die dem Logarithmus des Verhältnisses
von tatsächlicher zu höchstzulässiger Belastungszeit entspricht und die zur Steuerung
des Anodenstromes einer Verstärkerröhre 18 dient, in deren Anodenkreis ein Anzeigeinstrument
ig, ein Relais 2o und eine Anodenspannungsquelle 21 liegen. Das Relais 2o verhindert
bei Überschreiten eines durch den veränderlichen Widerstand 27 regelbaren Wertes
des Anodenstromes und damit des Verhältnisses von tatsächlicher zu höchstzulässiger
Belastungszeit die Schaltung der Aufnahme.
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Die zwischen den Schleifern von 7 und g auftretende Spannung entspricht
dem Logarithmus der den eingestellten Werten von mAsec und mA entsprechenden Aufnahmezeit
und wird zur Steuerung dieser Zeit verwendet, derart, daß ein logarithmisches Potentiometer
23 durch einen Motor 28 von genau bekannter und konstanter Umdrehungszahl angetrieben
wird, wobei diese sowie die Spannung von 24. derart gewählt wird, daß die an 23
abgegriffene zeitvariable Spannung vergleichbar ist mit der sich zwischen den Schleifern
7 und g ergebenden Zeitschaltspannung und damit der dieser zugeordneten Schaltzeit.
Ein polarisiertes Relais 22 wird so lange anziehen, wie die Zeitschaltspannung größer
ist als die gegenpolige, an 23 abgenommene zeitvariable Spannung. Infolge des zeitlichen
Ansteigens dieser Spannung wird die sich an 22 ausbildende Spannungsdifferenz nach
einer Zeit, die der gewünschten Schaltzeit gleich ist, ihr Vorzeichen umkehren und
das Relais 22 den Aufnahmestromkreis wieder unterbrechen. Durch entsprechende Hilfsvorrichtungen
(Zusatzkontakte am Relais 22 usw.) muß dafür gesorgt werden, daß eine Wiederholung
der Aufnahme beim Weiterlaufen des Motors unmöglich gemacht wird sowie daß das Potentiometer
wieder in die Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Sinngemäß kann an Stelle des
motorgetriebenen Potentiometers jede andere Spannungsquelle verwendet werden, die
eine dem Logarithmus der Zeit proportionale Spannung liefert, wie beispielsweise
elektronische Kippschwingungskreise entsprechender Dimensionierung.
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Die Anzeige der eingestellten Werte von Schaltzeit, mAsec, kVs und
Ausnutzungsgrade der Röntgenrohe, d. i. des Verhältnisses von tatsächlicher zu zulässiger
Schaltzeit, kann durch Strommeßinstrumente geeigneter Skalenteilung erfolgen, die
die den interessierenden Größen zugeordneten Spannungen messen.
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Eine Verringerung des Röhrenstromes durch Drehen von i bewirkt über
7 eine Verlängerung der Schaltzeit, gleichzeitig aber über 6 eine Vergrößerung der
zulässigen Schaltzeit und damit eine Änderung des Ausnutzungsgrades der Röntgenröhre.
Der Regler i kann daher als »Prozentwähler« bezeichnet werden, da seine Stellung
keine Änderung der Hochspannung und der von der Röhre abgegebenen Strommenge bewirkt,
sondern lediglich die Schaltzeit und damit die Ausnutzung der Röhre steuert.