DEP0017195DA - Einrichtung zur Leistungs- und Dosismessung mechanischer Schwingungsenergie - Google Patents

Description

Mechnische Schwingungen, insbesondere von Ultraschallerzeugern, werden heute auf zahlreichen Gebieten der Wissenschaft, in der Industrie, der Nachrichtentechnik und der Medizin praktisch angewandt und dienen dabei verschiedenen Zwecken. Genannt seien aus der grossen Zahl der z.T. zu hoher Vollkommenheit entwickelten, z.T. noch in der Entwicklung begriffenen Verwendungsmöglichkeiten die wissenschaftlichen Untersuchungen an Kolloiden, Werkstoffprüfungen, die Echolotung und die Behandlung von Carzinomen und anderen Krankheiten in der Medizin.

Die dabei benutzten Sender basieren teilweise auf den Erscheinungen der Magnetostriktion. Zum grössten Teil, insbesondere bei hohen Frequenzen und grösserem Leistungsbedarf, werden jedoch Röhrensender in Verbindung mit piezoelektrischen Kristallen verwendete. Die mit derartigen Sendern im Ultraschallgebiet zu erzielenden Leistungen sind - gemessen an den Leistungen üblicher, hörbarer Schallquellen - erheblich. Für die Zwecke der medizinischen Anwendung beispielsweise benötigte Leistungen von 40 - 50 Watt sind ohne weiteres realisierbar.

Neben der Erzeugung des Ultraschalls und gegebenenfalls seiner Bündelung, z.B. durch geeignet hohlgeschliffene Schwingquarze, kommt der Frage der Dosierung erhebliche Bedeutung zu. Das trifft insbesondere für alle medizinischen Anwendungen zu, da hier auf jeden Fall verhütet werden muss, dass überhöhte und damit schädliche Dosen dem Patienten appliziert werden. Aber auch bei subtilen wissenschaftlichen Untersuchungen ist es zumeist unerlässlich, laufend die Energie des wirksamen Gebers zu verfolgen.

In der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur Energie- bzw. Dosismessung beschrieben, die den Vorteil aufweist, nicht nur den quantitativen Nachweis der Schallenergie zu liefern, sondern gleichzeitig die vom Dosimeter aufgenommene Schalleistung zu verstärken und damit auch geringe Schalleistungen der Messung zugänglich zu machen.

Die physikalischen Grundlagen des Dosimeters gemäss der Erfindung sind folgende:

Es ist bekannt und in neuester Zeit durch Experimente an Trioden quantitativ untersucht worden, dass Vakuumröhren Schwankungen des Elektronenstroms zeigen, wenn die Lage des Gitters zur Anode bzw. Kathode geändert wird. Diese Erscheinung wird als "Mikrophoneffekt" bezeichnet. Sie wird in empfindlichen Verstärkerschaltungen manchmal als Störeffekt beobachtet, wenn auf die Röhren mechanische Erschütterungen, insbesondere solche periodischer Art, einwirken. Im Rhythmus dieser Schwingungen schwankt dann nämlich der Anodenstrom

Einerseits sind nun die Bemühungen der Fachleute darauf gerichtet, die Bedingungen zu ermitteln, unter denen es möglich ist, den Mikrophoneffekt ganz auszumerzen oder aber ihn doch bis zu einem solchen Grad zu reduzieren, dass er als Störung praktisch zu vernachlässigen ist. Auf der anderen Seite aber werden Bemühungen unternommen, die Erscheinungen des Mikrophoneffektes praktisch auszunutzen.

So wird z.B. nach Waynick (Journ. appl. Phys. 18, 1947, S. 239) in der US-Patentschrift 2 389 935 eine Triode beschrieben, bei der das Gitter mittels eines beweglichen, vakuumdicht eingeführten und elastischen Gliedes in rhythmische Bewegungen versetzt werden kann. Die Folge sind rhythmische Schwankungen des Anodenstromes. Die Durchbrechung des Mikrophoneffektes zeigt, dass bei geeigneter Dimensionierung und Anordnung der Elektroden und richtiger Wahl des elektronischen Arbeitspunktes der Röhre die ursprünglichen mechanischen Schwingungen in elektrische Stromschwankungen gleicher Frequenz verwandelt werden können. Analog der elektrischen Steilheit von raumladungsgesteuerten Röhren kann man eine mechanische Steilheit aus der Anodenstromänderung in Abhängigkeit von der Änderung des Gitter-Kathoden-Abstandes definieren. Bei geeigneter Wahl der Gitterabmessungen, der Abstände des Gitters von Anode und Kathode und der elektrischen Daten der Röhre können beachtliche mechanische Steilheiten erzielt werden. Es zeigt sich, dass es darauf ankommt, den Abstand zwischen Gitter und Anode möglichst klein zu halten, während gleichzeitig das Gitter einen möglichst grossen Abstand von der Kathode haben muss. Ausserdem muss die elektrische Steilheit der Röhre so hoch wie möglich sein, was durch geeignete Wahl des elektrischen Arbeitspunktes verwirklicht werden kann. In günstigen Fällen werden Steilheiten in der Grössenordnung von 4 mA pro tausendstel mm Änderung des Gitter-Kathoden-Abstandes erzielt.

Von diesen Erkenntnissen wird erfindungsgemäss zur Schaffung einer Einrichtung zur Leistungs- und Dosismessung mechanischer Schwingungen, insbesondere von Ultraschallerzeugern, in der

Weise Gebrauch gemacht, dass der Erzeuger der mechanischen Schwingungen mit einer oder mehreren Elektroden einer raumladungsgesteuerten Röhre, insbesondere einer Triode, derart gekuppelt wird, dass unter Ausnutzung des bekannten Mikrophoneffektes im Takte der mechanischen Schwingungen und proportional ihrer Energie Lageänderungen der Elektroden zueinander und dadurch den mechanischen Schwingungen äquivalente Anodenstromschwankungen in der Röhre entstehen, und an sich bekannte Mittel zur Messung der Stromschwankungen als Mass der Schwingungsenergie verwendet werden. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, welche oder wieviel von den Elektroden mit dem Schwingungserzeuger gekuppelt werden.

Die Übertragung der mechanischen, insbesondere Schallschwingungen auf eine der Elektroden kann rein mechanisch vorgenommen werden, indem z.B. ein Teil der Aussenwand der Röhre elastisch ausgebildet und durch eine mechanische Kupplung mit wenigstens einer Elektrode des Röhrensystems in Verbindung gebracht wird. Die Kupplung wird besonders einfach, wenn man die Aussenwand der Röhre ganz oder teilweise als Anode ausbildet.

Zwei Ausführungsbeispiele der für die Messung der Energie mechanischer Schwingungen, insbesondere von Ultraschallerzeugern, zu verwendenden Röhren sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Die Abb. 1 und zeigen Vorder- und Seitenansicht einer Röhre mit Aussenanode, die Abb. 3 eine in einen Glaskolben eingebaute Röhre.

Bei der Röhre gemäss Abb. 1 und 2 ist die Aussenhülle 1 aus

Metallblech hergestellt und dient gleichzeitig als Anode. Die Röhre ist in Form einer flachen Dose ausgebildet, auf deren Deckelfläche der Schalldruck wirkt. Das geschieht entweder auf der gesamten Fläche oder aber nur auf einen zentralen, besonders gut elastischen Teil der Anodenebene. Im Innern der Dose befinden sich zwei Gitter 2 auf perforiertem Blech oder Drahtgewebe und die Kathode 3, die z.B. als W-förmig gespannter Draht ausgebildet ist. Durch die auf den Deckel der Dose wirkende Ultraschallenergie wird der Abstand der Anode von der Kathode und damit der Anodenstrom entsprechend der Schallintensität variiert.

Bei der Röhre gemäss Abb. 3 ist das Elektrodensystem in einen Glaskolben 4 eingeschmolzen. An einem seitlichen Rohrstutzen ist ein elastischer Zylinderkörper 5 angesetzt, dessen Abschluss nach aussen hin eine starre Platte 6 bildet. Durch einen Stab ist diese Platte mit der flachen Anode 8 verbunden, der in geringem Abstand das Gitter 9 und in etwa grösserem Abstand die Kathode 10 gegenüberstehen. Die Kupplung mit der Schallquelle erfolgt über die Platte 6.

Die praktische Verwendung einer der beschriebenen Röhren als Ultraschall-Dosimeter erfolgt etwa so, dass die Röhre in den sogenannten Behandlungskopf des Beschallungsgerätes eingebaut wird. Dieser Kopf ist bekanntlich durch eine Platte, meist eine Membran abgeschlossen, über welche die Energie auf das zu beschallende Objekt übertragen wird. Mit dieser Membran wird nun die Röhre mechanisch gekuppelt. Ihre Speise- und Messleitungen werden durch das Zuführungskabel der Beschallungskopfes unter besonderer Abschirmung hindurchgeführt.

Erfolgt die Beschallung in bekannter Weise durch einen gebündelten Schallstrahl, der von einem hohlgeschliffenen Quarzkristall ausgeht, so kann z.B. in einem bestimmten festen Abstand vom Schallspiegel die Röhre selbst oder ein mit ihr gekuppeltes schwingfähiges Organ angebracht werden. Die Röhre kann aber auch unmittelbar mit dem Kristallschwinger gekuppelt werden. Die Energieaufnahme aus dem Schallstrahl und damit die Belastung des Dosimeters kann in jedem Fall in kleinsten Grenzen gehalten werden.

Claims (4)

1.) Einrichtung zur Leistungs- und Dosismessung mechanischer Schwingungen, insbesondere von Ultraschallerzeugern, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeuger der mechanischen Schwingungen mit einer oder mehreren Elektroden einer raumladungsgesteuerten Röhre, insbesondere einer Triode, derart gekuppelt ist, dass unter Ausnutzung des bekannten Mikrophoneffektes im Takte der mechanischen Schwingungen und proportional ihrer Energie Lageänderungen der Elektroden zueinander und dadurch den mechanischen Schwingungen äquivalente Anodenstromschwankungen in der Röhre entstehen, und an sich bekannte Mittel zur Messung der Stromschwankungen als Mass der Schwingungsenergie vorhanden sind.

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand der Röhre so ausgebildet ist, dass sie unter Einwirkung der mechanischen Schwingungen auf zumindest einen Teil ihrer Fläche elastisch deformiert wird, und dass dieser Teil mit wenigstens einer Elektrode des Röhrensystems mechanisch gekuppelt ist.

3.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand der Röhre ganz oder teilweise die Anode bildet.

4.) Ultraschallgerät, insbesondere für medizinische Zwecke, mit einer Einrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre in den Behandlungskopf eingebaut und mit der Abschlussmembran des Kopfes mechanisch gekuppelt ist und die Speise- und Messleitungen durch das Zuführungskabel des Behandlungskopfes unter besonderer Abschirmung hindurchgeführt sind.