DE968947C - Sicherheitsvorrichtung fuer Roentgeneinrichtungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 10. APRIL 1958

C ii743VIIIc/2ig

Louis Maurice, Paris

ist als Erfinder genannt worden

Bekanntlich ist der Höchstwert der an der Anode einer Röntgenröhre zulässigen Leistung Pm eine Funktion der Zeitdauer der Zuführung dieser Leistung zur Anode, was sich durch eine die Gleichung Pn = f(t) wiedergebende Belastungskurve veranschaulichen läßt, wie sie Abb. ι mit der Belastungszeit t als Abszisse und der Leistung Pu als Ordinate zeigt. Der Betrieb einer Röntgenröhre muß daher der Beziehung P < Pm Rechnung tragen, in der P das Produkt aus Röhrenspannung U und Röhrenstromstärke/ ist.

Zur Einhaltung dieser Belastungskurve sind bereits zahlreiche Vorrichtungen im Gebrauch, die auf zwei Wirkungpprinzipien beruhen. Bei der einen Gattung dieser Vorrichtungen wird die Belastungskurve Pn — fit), wie _ Abb. 2 zeigt, durch ein leitfähiges Material körperlich als eine von ihr und der Abszissenachse X sowie der Ordinatenachse Y begrenzte Fläche verwirklicht und auf dieser ein elektrischer Kontakt Z in Abhängigkeit von der Zeit gemäß der Abszisse t und in Abhängigkeit von der Leistung gemäß der Ordinate P der Kurve verschoben, was kurz als Arbeitssystem A bezeichnet sei. Bei der zweiten Art von die zulässige Belastung gemäß der Belastungskurve Pm = f{t) bei Röntgenröhrenanoden ein- haltenden Vorrichtungen wird die Leistung P durch eine elektrische Spannung dargestellt, von der man einen Teil mit Hilfe eines Potentiometers abnimmt,

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bei dem die Einstellage des Läufers eine Funktion der Zeit ist und die abgenommene Spannung einen festen Wert nicht überschreiten darf, was kurz als Arbeitssystem B bezeichnet sei. Die Vorrichtungen nach diesen beiden Wirkungsprinzipien sind nur für eine einzelne Röntgenaufnahme, d. h. für eine Aufnahme mit kalter Anode brauchbar.

Es gibt auch Vorrichtungen, welche in jedem Augenblick die mittlere Temperatur der Anode zu ermitteln ίο gestatten. Eine dieser Vorrichtungen, deren Wirkungsweise kurz als Arbeitssystem C bezeichnet sei, besteht aus einem Wattstundenzähler, dessen umlaufende Scheibe zwei Drehmomenten ausgesetzt ist, von denen das durch eine Spannungsspule und eine Stromspule 15. gelieferte Antriebsdrehmoment die Scheibe mit einer Geschwindigkeit in Umdrehung versetzt, welche der an der Anode durch das Auftreffen der Elektronen abgegebenen Leistung entspricht, während das beispielsweise durch eine Feder erzeugte Gegendrehao moment der Scheibe proportional der Leistungsabführung durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung dem Antriebsdrehmoment entgegenwirkt. Diese Gegenwirkung ändert sich mit dem Drehwinkel der Scheibe derart, daß die Drehung der Scheibe bei alleiniger Wirksamkeit dieses Gegendrehmoments die durch Versuche aufgenommene Abkühlungskurve der Anode wiedergibt, so daß der Drehwinkel der Scheibe in jedem Augenblick die mittlere Temperatur Θ der Anode und damit die in dieser in der Form von Wärme aufgespeicherte Energie anzeigt.

Eine andere die Messung der Anodentemperatur

ermöglichende Vorrichtung, deren Wirkungsprinzip kurz als Arbeitssystem D bezeichnet sei, beruht auf der Ähnlichkeit, welche zwischen den Schwankungen der thermischen Belastung und den Änderungen der elektrischen Belastung einer Kapazität besteht. Ein.

Kondensator wird durch einen Strom geladen, der proportional zu der an der Anode abgegebenen Leistung ist. An seinen Klemmen liegt ein Widerstand,

so daß bei der Entladung die Änderung der Spannung des Kondensators mit der Zeit die Abkühlungskurve der Anode wiedergibt und schließlich die Spannung des Kondensators in jedem Zeitpunkt der Temperatur der Anode oder ihrer thermischen Belastung proportional ist.

Die Sicherheit, die für Röntgeneinrichtungen durch diese Systeme A₁B₁C, D, wenn sie einzeln verwendet werden, erreicht wird, ist unvollständig, und es besteht stets die Möglichkeit einer Überlastung der Röhre. Außerdem sind die Systeme A und B, da sie nur für eine kalte Anode gültig sind, nicht für aufeinanderfolgende und zeitlich nahe beieinanderhegende Röntgenaufnahmen geeignet. Anderseits tragen die Systeme C und D nur der mittleren Temperatur der Anode Rechnung, und bekanntlich kann die Augenblickstemperatur des Brennfleckes einen zerstörenden Wert erreichen, während die mittlere Temperatur der Anode einen zulässigen Wert nicht überschreitet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mangel dieser bekannten Vorrichtungen eine Sicherheitsvorrichtung für Röntgeneinrichtungen zu schaffen, welche der Belastungskurve nicht nur bei einer einzelnen Röntgenaufnahme, sondern auch bei einer vollkommen beliebigen Aufeinanderfolge von Röntgenaufnahmen zu folgen gestattet. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß ein die zulässige Röhrenleistung P aus dem Produkt von Röhrenspannung U und Röhrenstrom / in Abhängigkeit von der Belastungszeit t feststellendes und ein die mittlere Anodentemperatur messendes elektrisches oder mechanisches Ermittlungsgerät zur selbsttätigen Verhinderung der Überlastung der Anode zusammenarbeiten. Um bei einer in dieser Weise ausgebildeten Sicherheitsvorrichtung der Anfangstemperatur Θ der Anode Rechnung zu tragen, muß die zulässige Leistung auf einen Wert P_e = k· P_M beschränkt werden, bei dem der Faktor k <. 1 und für eine gegebene Röhre eine Funktion der Temperatur Θ, vorzugsweise mit einer linearen Beziehung zur Temperatur nach der aus Abb. 6 ersichtlichen Kurve, ist.

Die praktische Verwirklichung der Vorrichtung nach der Erfindung erfolgt in der Weise, daß man paarweise die Wirkungssysteme A oder B einerseits und die Arbeitssysteme C oder D anderseits miteinander kombiniert. Beispielsweise kann man eine Vereinigung des Systeme^ und C und eine Vereinigung der Systeme B und D der Ausführung der Vorrichtung zugrunde legen. In dem Fall des Systems A ist die Belastungskurve (vgl. Abb. 1) in der Regel in logarithmischem Maßstabe aufgezeichnet, so daß sich aus der Beziehung Pg = k Pm die Gleichungen ergeben:

log P_s = log k + log Pm oder für k < i, log Pe = log Pm — log i/k .

Um den Wert log P₁₉ zu eihalten, muß man daher die den log Pj/ darstellende Größe um die den Jog ijk wiedergebende Größe vermindern, welche durch das die Anodentemperatur messende Arbeitssystem C bestimmt wird. Zu diesem Zweck kann man entweder den -elektrischen Kontakt Z der Vorrichtung nach Abb. 2 nach den zunehmenden Werten Y der Größe log ijk verschieben, wenn die zur Darstellung der Kurve dienende Fläche feststeht, oder man muß diese Fläche um den Betrag log ijk in der Richtung der abnehmenden Werte Y verschieben, falls der elektrische Kontakt Z feststeht. Man kann den elektrischen Kontakt auch durch einen Lichtstrahl ersetzen, der nach Reflexion an der Fläche auf eine photoelektrische Zelle wirkt.

Die Abb. 3 veranschaulicht die praktische Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung näher im einzelnen, beispielsweise in einer Ausführungsform, bei welcher die mittlere Anodentemperatur Θ durch dnen Wattstundenzähler auf Grund des Arbeitssystems C gemessen und die Änderung des Betrages log ijk in Abhängigkeit von dieser Temperatur durch eine entsprechend profilierte Nockenscheibe erreicht wird.

Der Wattstundenzähler besteht gemäß Abb. 3 aus einer drehbaren Scheibe 1, einer Spannungsspule 3, einer Stromspule 4 und einer Rückholfeder 2. An einem drehbaren gezahnten Sektor 6, der mit einem Zahnrad 6' kämmt, greift eine auf der Welle des Zählers sitzende Nockenscheibe 5 an, welche so geformt ist, daß sie die Änderung des Wertes log ijk in Abhängigkeit von der durch den Zähler gemessenen

mittleren Anodentemperatur Θ durch eine entsprechende Verstellung des Zahnsektors 6 wiedergibt, so daß der Drehwinkel des Zahnrades 6' den Wert log τ/k in Abhängigkeit von der Temperatur Θ darstellt. Die Welle 7 des Zahnrades 6' trägt eine Lichtquelle 8, welche einen praktisch radialen Lichtstrahl 10 aussendet, der nach Reflexion auf eine ebenfalls auf der Welle 7 sitzende photoelektrische Zelle 9 trifft.

Gleichachsig mit der Welle 7 ist ein Zylinder 11 aus Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Werkstoff angeordnet, der axial um den Betrag log t verschoben und außerdem entsprechend dem Wert log P = log (U ■ I) in der in Abb. 3 an seinem oberen Ende angegebenen Pfeilrichtung gedreht wird. Auf der Mantelfläche des Glaszylinders 11 ist eine Kurve 12 aufgezeichnet, welche der in Abb. 1 wiedergegebenen Belastungskurve P_M = f(t) entspricht und die Zylinderfläche 11 in zwei Teile teilt. Links der Kurve 12 ist die Glasfläche matt ausgeführt und rechts davon durch Metallisierung als Spiegel ausgebildet, so daß der Lichtstrahl 10 beim Auftreffen an der Mattfläche an deren Außenseite einen Leuchtfleck zum Erscheinen bringt, während er beim Auftreffen auf die Spiegelfläche nach der photoelektrischen Zelle 9 reflektiert wird und diese zur Auslösung der durch sie herbeizuführenden Sicherungswirkung veranlaßt.

Wie aus Abb. 4, welche die Zylinderfläche 11 in abgewickeltem Zustand zeigt, ersichtlich ist, wird, solange log P + log i/A < log P_M ist, ein Leuchtfleck auf der Mattfläche erscheinen und, sobald log P 4- log i/Ä > log Pm wird, eine Reflexion des Lichtstrahles 10 und die Erregung der photoelektrischen Zelle 9 und damit die Sicherungswirkung der Vorrichtung eintreten.

Die Erfindung kann auch durch eine Kombination der Arbeitssysteme B und D verwirklicht werden, wofür Abb. 5 ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Gemäß Abb. 5 wird ein Transformator 15 durch eine der Größe U proportionale Spannung gespeist. Seine Sekundärwicklung ist über einen Umschalter 16 an die Primärspule eines weiteren Transformators 17 angeschlossen. Die Winkelverstellung des drehbaren Umschalterkontaktes 16 ist mit der Regelung der Stromstärke derart gekoppelt, daß die Spannung an den Primärklemmen des Transformators 17 proportional dem Produkt U · I ist. Diese Wechselspannung wird durch ein elektrisches Ventil 18 gleichgerichtet und einem zu einem Filterkondensator 19 parallel geschalteten Widerstand 20 zugeleitet.

Von der Sekundärseite des Transformators 17 aus wird über ein Ventil 22 durch einen dem Produkt U ■ I proportionalen Strom ein Kondensator 23 geladen, der die thermische Kapazität der Anode des Arbeitssystems D darstellt, während ein zu ihm parallel

geschalteter Widerstand 24 der Abkühlungsfähigkeit der Anode entspricht. Ein selbsttätiger Schalter 21 wird gleichzeitig mit der Speisung der Röntgenröhre geschlossen Die Spannung an den Klemmen des Kondensators 23, die auf Grund ihrer Erzeugung proportional der Temperatur Θ ist, wird an das Gitter einer Dreielektrodenröhre 25 angelegt, so daß die Beziehung zwischen dem Faktor k und der Temperatur Θ, wie Abb. 6 zeigt, linear verläuft und daher die Spannung an den Klemmen eines im Anodenstromkreis der Röhre 25 liegenden Widerstandes 26 proportional dem Faktor k ist.

Von dem Widerstand 26 wird ein Teil dieser Spannung mittels eines verstellbaren Kontaktes 27 abgenommen, dessen Einstellvorrichtung mit der Regelvorrichtung für die Belastungszeit gekoppelt ist. Das Gesetz der Veränderung des aus Widerstand 26 und Kontaktarm 27 bestehenden Potentiometers in Abhängigkeit von der Belastungszeit ist gleich dem durch die Gleichung Pm — f(t) gegebenen Veränderungsgesetz der Leistung P_M- Der abgenommene Spannungsteil ist daher schließlich proportional dem Wert k ■ f(t) = k- P_M. Die Differenz U- I — k- P_M wird an den Punkten 27 und 28 abgenommen und an das Gitter einer Dreielektrodenröhre 29 herangeführt. Die Sicherheit der Röntgeneinrichtung ist gewährleistet, solange U-I < k- P_M ist. Sobald hingegen U-I > k - Pm wird, erregt der Anodenstrom der Röhre 29 ein Relais 30, das seinerseits die Belichtungszeit bei der Röntgenaufnahme unterbricht.

Ebenso wie die Arbeitssysteme A und C bzw. B und D können erfindungsgemäß auch die Arbeitssysteme A und D bzw. B und C zu einer die zulässige Leistung P in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelnden und gleichzeitig von der mittleren Anodentemperatur beeinflußten selbsttätigen Sicherheitsvorrichtung für Röntgeneinrichtungen kombiniert werden.

Auch kann man für die Feststellung der durch das Produkt aus Spannung U und Strom J gegebenen Leistung in Abhängigkeit von der Zeit t einerseits und für die Messung der mittleren Anodentemperatur anderseits an Stelle von elektrischen Schaltungsgebilden auch zwei mechanische Ermittlungsgeräte vorsehen und zur selbsttätigen Verhinderung der Überlastung der Anode der Röntgenröhre zusammenarbeiten lassen.

Claims (10)

PATENTANSPKOCHE:

1. Sicherheitsvorrichtung für Röntgeneinrichtungen zur Einhaltung einer in Übereinstimmung mit ihrer Dauer zulässigen Leistungszufuhr zur Anode der Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß ein die zulässige Röhrenleistung P aus dem Produkt von Röhrenspannung U und Röhrenstrom/ in Abhängigkeit von der Belastungszeit t feststellendes und ein die mittlere Anodentemperatur messendes elektrisches oder mechanisches Ermittlungsgerät zur selbsttätigen Verhinderung der Überlastung der Anode zusammenarbeiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Abhängigkeit von der Belastungszeit t proportional der Leistung P erfolgende Relativbewegung eines Kontaktes (Z) zu einer durch die Kurve der zulässigen Belastungen Pm = f (t) begrenzten Kontaktfläche (XY) oder die in Abhängigkeit von der Zeit t proportional der Leistung P an einem Potentiometer (26, 27) durch dessen Läufer stattfindende Abnahme von Spannungen auch in Abhängigkeit von der mittleren Anodentemperatur entweder mit Hilfe eines durch zwei gegensinnige Drehmomente proportional der

Leistung P bzw. der Wärmeabgabe an der Anode beeinflußten und daher stets deren mittlere Temperatur anzeigenden Wattstundenzählers (i bis 4) oder eines durch einen Strom proportional der Leistung P geladenen und infolge Parallelschaltung zu einem Widerstand (24) in jedem Zeitpunkt durch die Spannung an seinen Klemmen die mittlere Anodentemperatur wiedergebenden Kondensators (23) bewirkt wird (Abb. 2, 3 und 5).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf seiner Mantelfläche die Belastungskurve Pm = f{t) in Aufzeichnung nach logarithmischen Ordinaten aufweisender Hohlzylinder (11) sich axial in Abhängigkeit von der Zeit t gemäß log t verschiebt und eine Drehung gemäß log P = log U ■ I ausführt und ein Fühler (8, 9,10) die Belastungskurve abtastet, der sich um einen dem Wert log τ/k entsprechenden, durch den Faktor k von der mittleren Anodentemperatur abhängigen Winkel dreht, wobei die Drehrichtungen des Zylinders (11) und des Fühlers (8, 9, 10) so gewählt sind, daß die Relativverschiebung des Fühlers gegenüber dem Zylinder gleich dem Wert log P + log xjk ist (Abb. 3 und 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nockenscheibe (5), welche auf einer durch ihre Drehung die mittlere Anodentemperatur angebenden Welle sitzt, einen gezahnten Sektor (6) verstellt und dadurch einem mit dem Fühler (8, 9,10) verbundenen Zahnrad (6') eine . dem Wert log xjk entsprechende Drehung erteilt (Abb. 3 und 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (11) lichtdurchlässig ausgebildet und auf einem durch die Linie (12) der Belastungskurve abgegrenzten Teil seiner Mantelfläche metallisiert ist und ein als Fühler wirksamer Lichtstrahl (10) durch Reflexion an der metallisierten Zylinderfläche nach einer photoelektrischen Zelle gelenkt wird und dadurch die Sicherungswirkung der Vorrichtung auslöst (Abb. 3 und 4).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung, welche der Leistungsdifferenz U-I — k · Pm entspricht und durch den Faktor k von der mittleren Anodentemperatur abhängig ist, einer Dreielektrodenröhre (29) zwischen Gitter und Kathode zugeführt wird, so daß die Röhre (29), wenn U ■ I > k- Pm ist, leitfähig wird und ihr Anodenstrom ein Sicherheitsrelais (30) zur Wirkung bringt (Abb. 5).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gitter und der Kathode der Dreielektrodenröhre (29) einerseits eine gleichgerichtete und dem Produkt U ■ I proportionale, vorzugsweise an den Klemmen eines Widerstandes (20) abgenommene Spannung und anderseits eine dem Wert k ■ Pm proportionale und durch den Faktor k von der mittleren Anodentemperatur abhängige, zwischen der einen Klemme eines Potentiometers (26) und dessen Läufer (27) abgezweigte Spannung zugeführt wird und am Potentiometer (26) der Läufer (27) eine mit der Regelvorrichtung für die Belastungszeit t gekoppelte Verschiebung erfährt und der dem Leistungswert P„y proportionale Widerstand von einem dem Faktor k proportionalen Strom durchflossen wird (Abb. 5).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (15), der durch eine der Röhrenspannung U proportionale Spannung gespeist ist, an seiner Sekundärseite mit einem in Abhängigkeit von der Röhrenstromstärke I verstellbaren Umschalter (16) verbunden ist und ein diesem nachgeschalteter Gleichrichter (18) einem Widerstand (20) eine gleichgerichtete, dem Produkt U ■ I proportionale Spannung zuführt (Abb. 5).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (23), welcher die thermische Kapazität der Anode darstellt und durch einen dem Produkt U · I proportionalen Strom aufgeladen wird, mit den Klemmen eines in seiner Größe der Abkühlungsfähigkeit der Anode entsprechenden Widerstandes (24) verbunden ist und dadurch an seinen Klemmen eine der mittleren Anodentemperatur proportionale Spannung aufweist und diese Spannung dem Gitter einer Dreielektrodenröhre (25) zugeführt wird, in deren Anodenkreis ein Potentiometer (26) liegt, an dem dadurch eine dem der Änderung der mittleren Anodentemperatur proportionalen Faktor k proportionale Spannung erzeugt wird (Abb. 5).

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6 bis .9, dadurch gekennzeichnet, daß der die thermische Kapazität der Anode darstellende Kondensator (23) von einem Transformator (17) aus aufgeladen wird, dessen Sekundärspannung proportional dem Produkt Ϊ7 - / ist und durch ein elektrisches Ventil (22) gleichgerichtet wird und dessen Primärseite gleiphzeitig mit der Röntgenröhre Spannung erhält (Abb. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 680 244, 689 401; österreichische Patentschrift Nr. 156 238.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 609 616/391 S. (709 951ΛΙ9 4.58)