[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Versorgung für eine Röntgeneinrichtung,
die im wesentlichen aus elektrischen Leitungen besteht, die zwischen einem Hochspannungskreis
und einer Röntgenröhre der Röntgeneinrichtung angeordnet sind.
[0002] Röntgenröhren sind als Hochvakuumröhren aufgebaut. Durch das Hochvakuum werden Überschläge
zwischen der Kathode und der Anode der Röntgenröhre bei Anlegen der Röntgenspannung,
die sich im Kilo-Volt-Bereich bewegt, grundsätzlich verhindert. Geringe Mengen an
Restgasen, die das Hochvakuum verunreinigen, sind jedoch unvermeidlich. Dies gilt
insbesondere deshalb, weil im Laufe des Betriebs der Röntgenröhre gasförmige Materialbestandteile
im Inneren der Röhre austreten. Die Restgase können durch die Röntgenspannung ionisiert
werden. Durch die Ionisation kommt es zum Überschlag und damit zum Kurzschluss innerhalb
der Röntgenröhre.
[0003] Die zeitlichen Verläufe der Kurzschlussströme und der dadurch verursachten Vorgänge
zum Ladungsausgleich in der Leitungen der Hochspannungs-Versorgung weisen teilweise
sehr hohe Flankensteilheiten auf, da sie sehr schnell ablaufen. Das resultierende
Störspektrum reicht daher bis in den oberen Mega-Hertz-Bereich hinein und ist sehr
breitbandig. Zudem verursachen die Kurzschluss- und Ladungsausgleich-Ströme mit Überspannungen
verbundene Schwingungen, die nur sehr langsam abklingen.
[0004] Durch derartige Störsignale und Überspannungen im Hochspannungskreis der Röntgeneinrichtung
kann es zu Funktionsstörungen der Elektronik und der Computereinrichtung kommen. Häufig
treten auch Bauteilausfälle auf, vor allem im Hochspannungskreis des Röntgengenerators.
Neben Ausfallzeiten beim Betrieb und kostspieligen Schäden an der Röntgeneinrichtung
verursachen die Störungen auch eine erhöhte Strahlungsbelastung der zu untersuchenden
Patienten, die aufgrund von Anlagenausfällen wiederholt untersucht werden müssen.
[0005] Aus der
EP 0 497 517 ist eine Röntgeneinrichtung bekannt, bei der je ein die elektrische Spannung begrenzender
Widerstand auf jeder Seite der Röntgenröhre zur Masse hin vorgesehen ist. Besagte
Widerstände verursachen jedoch Leistungsverluste im Heizstrom zur Beheizung der Kathode.
[0006] Aus der
DE 24 02 125 und der
JP 54090987 sind ebenfalls Röntgeneinrichtungen bekannt, bei denen spannungsbegrenzende Bauelemente
vorgesehen sind, ohne dass dabei der KathodenHeizstrom berücksichtigt würde.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgeneinrichtung anzugeben, bei der Störsignale
und Überspannungen, die aufgrund von Kurzschlüssen in der Röntgenröhre auftreten,
so stark gedämpft werden, dass Funktionsstörungen der Elektronik und Bauteilbeschädigungen
innerhalb der Röntgeneinrichtung vermieden werden, und bei der gleichzeitig Leistungs-Verluste
eines Kathoden-Heizstroms gering gehalten werden.
[0008] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Röntgeneinrichtung mit den Merkmalen
des ersten Patentanspruchs.
[0009] Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Schwingungen und Störsignale in der
Hochspannungs-Versorgung der Röntgeneinrichtung, also zwischen Röntgengenerator und
Röntgenröhre, zu dämpfen. Die Dämpfung wird durch Vorsehen von Abschluss-Widerständen
an den Hochspannungs-Leitungen der Hochspannungs-Versorgung bewirkt. Eine Dämpfung
durch Abschluss-Widerstände ist besonders unaufwändig und einfach realisierbar. Ein
Heizstrom-Transformator wird über zusätzliche Filter-Induktivitäten, die parallel
zu dem kathodenseitigen Abschluss-Widerstand angeordnet sind, mit der Röntgenröhre
verbunden.
[0010] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die Hochspannungs-Leitungen
der Hochspannungs-Versorgung nicht an beiden Enden, sondern lediglich an einem Ende,
also einseitig, mit einem Abschluss-Widerstand versehen sind. Bereits ein einseitiger
Abschluss-Widerstand kann nämlich ein ausreichend schnelles Abklingen der Störsignale
bewirken.
[0011] Eine besonders vorteilhafte Variante dieser Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass
der einseitige Abschluss-Widerstand jeweils am Röntgenröhren-seitigen jeder Hochspannungs-Leitung
angeordnet ist. Dadurch kann die für den Betrieb einzuhaltende hohe Ausgangsimpedanz
des Röntgengenerators beibehalten werden.
[0012] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Impedanz der
Abschluss-Widerstände an die Leitungsimpedanz der jeweiligen Leitung angepasst. Eine
ausreichende Dämpfung ergibt sich insbesondere, wenn die Impedanz der Abschluss-Widerstände
der Impedanz der Hochspannungs-Leitungen entspricht.
[0013] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
[0014] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben.
Die Figuren zeigen:
- FIG 1
- den prinzipiellen Aufbau des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung gemäß Stand
der Technik,
- FIG 2
- Spannungsverhältnisse in der Hochspannungs-Versor- gung während des Betriebs der Röntgeneinrichtung,
- FIG 3
- Spannungsverhältnisse in der Hochspannungs-Versor- gung unmittelbar nach Auftreten
eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre,
- FIG 4
- Hochspannungs-Leitung mit parallelen Abschluss- Widerständen,
- FIG 5
- Hochspannungs-Leitung mit seriellen Abschluss- Widerständen,
- FIG 6
- Hochspannungskreis einer Röntgeneinrichtung mit Ab- schluss-Widerständen gemäß der
Erfindung mit Filterinduktivitäten für Kathodenheizstrom,
- FIG 7
- Hochspannungskreis einer Röntgeneinrichtung mit in die Röntgen- röhre integriertem
Heizstromtransformator,
- FIG 8
- Hochspannungskreis einer Röntgeneinrichtung mit Hochspannungs- Glättungs-Kapazitäten
an den Ausgängen des Röntgen- generators,
- FIG 9
- simulierter Spannungsverlauf an der Kathode einer Röntgeneinrichtung gemäß Stand der
Technik,
- FIG 10
- simulierter Spannungsverlauf an der Kathode einer Röntgeneinrichtung gemäß der Erfindung.
[0015] In
Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung gemäß
Stand der Technik dargestellt. Innerhalb des Röntgengenerators 1 erzeugt ein Primärspannungsgenerator
3 eine Primärspannung, die an Hochspannungs-Transformatoren 5 weitergeleitet und von
diesen in eine für den Betrieb der Röntgenröhre ausreichende Hochspannung transformiert
wird. Die von den Hochspannungs-Transformatoren 5 abgegebene Hochspannung wird an
die Bauelemente 7, in denen eine Gleichrichter-Diode und eine Glättungs-Kapazität
angedeutet sind, weitergeleitet und von diesen gleichgerichtet und geglättet. Die
Bauelemente 7 geben die Hochspannung an die Dämpfungs-Widerstände 9 (R
D) ab. Die Dämpfungs-Widerstände 9 (R
D) haben die Aufgabe, den Röntgengenerator 1 weitgehend vor Überspannungen und Störsignalen
aus der Hochspannungs-Versorgung zu schützen. Sie weisen normalerweise Werte in der
Größenordnung einiger Kilo-Ohm auf.
[0016] An den Röntgengenerator 1 ist durch eine dazwischen liegende Hochspannungs-Versorgung
die Röntgen-Röhre 15 angeschlossen, wobei die Hochspannungs-Versorgung im wesentlichen
aus einer anodischen koaxialen Hochspannungs-Leitung 11 und einer kathodische koaxialen
Hochspannungs-Leitung 13 besteht. Der koaxiale Aufbau der Hochspannungs-Leitungen
11 und 13 ist durch die zeichnerische Darstellung als Kasten anstelle als Linie angedeutet.
Die anodische Hochspannungs-Leitung 11 verbindet den Ausgang des Röntgengenerators
1 mit der Anode 17 der Röntgenröhre 15. Analog verbindet die kathodische Hochspannungs-Leitung
13 die Kathode 19 der Röntgenröhre 15. Die Röntgenröhre 15 kann zweistrahlig, d.h.
als Zweifokusröhre, ausgebildet sein, weswegen die Kathode 19 andeutungsweise mit
zwei Wendeln dargestellt ist. Die beiden Wendeln der Kathode 19 werden durch den Heiztransformator
21 mit Heizstrom versorgt.
[0017] Um die Probleme zu verringern, die in Zusammenhang mit in der Röntgenröhre 15 auftretenden
Kurzschlüssen verursacht werden, ist es bekannt, zum einen am Röntgengenerator 1 hochohmige
Dämpfungs-Widerstände 9 (R
D) im Kiloohm-Bereich vorzusehen, zum anderen in der gesamten Röntgeneinrichtung auf
die saubere Erdung aller Komponenten zu achten, um eindeutige Bezugspotentiale zu
gewährleisten und Induktionsschleifen zu vermeiden. Dadurch soll vor allem eine "Verschleppung"
der Störpotentiale vermieden werden. Die saubere Erdung aller Komponenten ist durch
die mehrfache Erdung 23 der koaxialen Hochspannungs-Leitungen dargestellt.
[0018] Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung
gemäß Stand der Technik. Durch den Generator 31 wird die Röntgenspannung U
0 erzeugt und über die Dämpfungs-Widerstände 9 (R
D) an die Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 abgegeben. Über die Hochspannungs-Leitungen
11 und 13 liegt die Spannung an der Röntgenröhre an, die hier als Lastwiderstand 33
(R
L) eingezeichnet ist. Der Hochspannungskreis ist während des Betriebs dargestellt,
d.h. in eingeschwungenem Zustand. Die anodische Hochspannungs-Leitung 11 liegt auf
ihrer gesamten Länge auf Potential U
0, die kathodische Hochspannungs-Leitung 13 liegt auf ihrer gesamten Länge auf -U
0 Volt. Der Anschaulichkeit halber wird in Figur 3 und im folgenden lediglich die anodische
Seite betrachtet und die kathodische außer Acht gelassen. Die Potenzialverteilung
auf der anodischen Hochspannungs-Leitungen ist in Figur 2 durch Pfeile angedeutet,
die mit plus, minus und U
0 bezeichnet sind. Der Potentialabfall in den Dämpfungs-Widerständen 9 (R
D) soll vernachlässigt werden.
[0019] Figur 3 zeigt die gleiche schematische Darstellung des Hochspannungskreises gemäß Stand der
Technik wie die vorhergehende Figur 2 mit den gleichen Bezugszeichen. Figur 3 zeigt
den Hochspannungskreis jedoch zu einem anderen Zeitpunkt, nämlich unmittelbar nach
Auftreten eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre.
[0020] Das Auftreten eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre ist damit gleichbedeutend,
dass der Lastwiderstand 33 (R
L) verschwindend gering wird, d.h. R
L = 0. Das Verschwinden des Lastwiderstandes 33 (R
L) hat zur Folge, dass die Spannung an den Hochspannungs-Leitungen 11 sowie 13 zusammenbricht,
weil die Ladungen, die sich auf den Hochspannungleitungen 11 sowie 13 befinden, über
den Kurzschluss in der Röntgenröhre abfließen können. Diese Art der Entladung einer
gleichmäßig aufgeladenen Leitung ist ein Standardproblem, das in der Literatur bestens
bekannt ist. Näherungsweise kann der Entladungsvorgang so beschrieben werden, dass
die Hälfte der Ladungen auf der Leitung nach links läuft, die andere Hälfte der Ladungen
nach rechts. Dadurch bewegen sich Wellen mit der halben Ausgangsspannung, also U
0/2, auf jeder Leitung nach links und rechts voneinander weg. Dies ist in Figur 3 lediglich
für die anodische Hochspannungs-Leitung 11 durch Pfeile angedeutet, die mit + und
U
0/2 bezeichnet sind, und die entlang der Hochspannungs-Leitung 11 nach rechts bzw.
links gerichtet sind. Die Pfeile sollen das Abfließen der Ladungen symbolisieren.
[0021] In dem Hochspannungskreis treffen die auseinander laufenden Wellen sowohl links als
auch rechts auf Impedanz-Sprungstellen. Links sind dies die Dämpfungs-Widerstände
9 (R
D), rechts ist dies der Kurzschluss in der Röntgenröhre, also der Lastwiderstand 33
(R
L), der den Wert R
L = 0 angenommen hat. Die Sprungstellen in der Impedanz reflektieren die voneinander
fortlaufenden Wellen, wobei ein Kurzschluss einen Reflexions-Faktor r = -1 bewirkt.
An einem Kurzschluss reflektierte Wellen wechseln daher bekanntlich das Vorzeichen,
vorliegend wechselt ihre Spannung also von +U
0/2 auf -U
0/2. Die reflektierten Wellen laufen anschließend wieder aufeinander zu, begegnen sich
und laufen erneut auseinander, bis sie wieder an den Sprungstellen der Leitungsimpedanz
reflektiert werden. Für die hin und herlaufenden Wellen ergibt sich eine von der Länge
der Hochspannungs-Leitungen 11 bzw. 13 abhängige Schwingungsdauer. Nach einem Viertel
dieser Schwingungsdauer nimmt die Hochspannungs-Leitung auf der gesamten Länge die
Spannung 0 an, nach der Hälfte der Schwingungsdauer die Spannung -U
0 und nach drei Vierteln der Schwingungsdauer wiederum die Spannung 0, bis sich der
Schwingungsvorgang nach einer ganzen Schwingungsdauer zu wiederholen beginnt. Die
Schwingung setzt sich grundsätzlich endlos fort, wird in der Realität aber durch Leitungsverluste
gedämpft.
[0022] Der Vereinfachung halber wurde der Vorgang nur für die anodische Hochspannungs-Leitung
11 beschrieben, die Vorgänge auf der kathodischen Hochspannungs-Leitung 13 verlaufen
grundsätzlich analog dazu mit umgekehrtem Vorzeichen.
[0023] Im Ergebnis wird auf den Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 eine Schwingung erhalten,
bei der auf der jeweiligen Leitung selbst zwar keine Überspannungen auftreten, die
aber wechselnd die Spannungen +U
0 und -U
0 annimmt. Daher tritt an den Dämpfungs-Widerständen 9 (R
D) im Verlauf der Schwingung die doppelte Spannung auf, also 2U
0. Bei einer Länge der Hochspannungs-Leitungen von beispielsweise 12 Metern ergibt
sich eine Schwingungsdauer von 266 Nano-sekunden, also eine Frequenz in der Größenordnung
von einigen Mega-Hertz. Diese Schwingung, die als Störsignal aufzufassen ist, und
die dabei auftretenden Überspannungen, können Bauteilausfälle und Betriebsstörungen
in der Röntgeneinrichtung bewirken.
[0024] Figur 4 zeigt die anodische Seite eines Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung mit
Gleichrichtungs- und Dämpfungsbauelement 7, Dämpfungs-Widerstand 9 (R
D) , über die Erdungen 23 geerdeten koaxialen Hochspannungs-Leitung 11 und Röntgenröhre
15. Dieser herkömmliche Aufbau ist ergänzt durch den Abschluss-Widerstand 37 (R
A), der das Röntgengenerator-seitige Ende der Hochspannungs-Leitung 11 abschließt,
und durch den Abschluss-Widerstand 38 (R
A), der das Röntgenröhren-seitige Ende der Hochspannungs-Leitung 11 abschließt. Die
Abschluss-Widerstände 37, 38 (R
A) sind parallelgeschaltet, sie liegen also zwischen dem jeweiligen Ende der Hochspannungs-Leitung
11 und der Erdung 23. Sie können durch Löten verbunden werden. Für die Leitungsimpedanz
der Hochspannungs-Leitungen 11, 13 im Hochspannungskreis einer Röntgeneinrichtung
sind Werte von etwa 40 bis 50 Ohm üblich. Die Abschluss-Widerstände 39 (R
A) weisen daher einen Wert von etwa 45 Ohm auf, da ihre Dämpfungswirkung optimal wird,
wenn ihre Impedanz derjenigen der Hochspannungs-Leitungen 11, 13 entspricht.
[0025] Der Abschluss alleine mit parallelen Abschluss-Widerständen 37, 38 (R
A) wäre in der Realität jedoch nicht anwendbar, da im Betriebszustand an den beiden
Abschluss-Widerständen 37 (R
A) und 38 (R
A) die gesamte Betriebsspannung anstünde und zur Masse hin abfiele, was zu dauerhaften
und extrem hohen Leistungsverlusten führen würde. Außerdem wäre der Röntgenröhren-seitige
Abschluss-Widerstand 38 (R
A) durch den Kurzschluss in der Röntgenröhre 15 kurzgeschlossen und würde damit keine
Dämpfungswirkung aufbauen können.
[0026] Daher sind in Ergänzung zu den Abschluss-Widerstände 37, 38 (R
A) Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41 (C
H) vorgesehen, die zwischen diesen und der Erdung 23 in Serie geschaltet sind. Die
Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41 (C
H) haben die Aufgabe, hochfrequente Störsignale und Überspannungen zur Erdung 23 passieren
zu lassen, niederfrequente und Gleichspannungs-Nutzsignale jedoch zu blockieren. Sie
dienen also als Hochpass, dessen Frequenz so zu wählen ist, dass Störsignale zur Erdung
abfließen können, in Bezug auf Nutzsignale jedoch keine Verlustleistung auftritt.
Die Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41 (C
H) verhindern außerdem, dass der Röntgenröhren-seitige Abschluss-Widerstand 38 (R
A) durch den Kurzschluss in der Röntgenröhre 15 kurzgeschlossen wird und deshalb wirkungslos
bleibt. Wegen der hohen Frequenzen der Störsignale wird ein Hochpass mit relativ hoher
Grenzfrequenz benötigt, daher wird als Kapazität der Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten
41 (C
H) ein Wert in der Größenordnung von etwa 50 Nano-Farad gewählt. Es können z.B. Keramik-
oder Folien-Kondensatoren verwendet werden, die durch Löten verbunden werden können.
[0027] Figur 5 zeigt eine Variante der Schaltung in Abkehr von der Parallelschaltung der Abschluss-Widerstände.
Dargestellt ist das Gleichrichter- und Dämpfungsbauelement 7, die koaxiale Hochspannungs-Leitung
11 samt Erdungen 23 sowie die Röntgenröhre 15. Außerdem dargestellt sind die Abschluss-Widerstände
39 (R
A), diesmal jedoch in serieller Schaltung zwischen der Hochspannungs-Leitung 11 und
dem Bauelement 7 sowie zwischen der Hochspannungs-Leitung 11 und der Röntgenröhre
15. Der Röntgengenerator-seitige niederohmige Abschluss-Widerstand 39 (R
A) ersetzt dabei den normalerweise vorzusehenden hochohmigen Dämpfungs-Widerstand R
D, der das Bauelement 7 sowie den sich dahinter anschließenden sonstigen, in der Figur
5 nicht dargestellten, Röntgengenerator vor Überspannungen schützt.
[0028] Da der normalerweise vorzusehende Dämpfungs-Widerstand R
D in der Größenordnung mehrerer Kilo-Ohm liegt, bietet der Abschluss-Widerstand 39
(R
A), der in der Größenordnung von einigen Zehn Ohm liegt, nicht den selben Schutz vor
Überspannungen im Röntgengenerator 1. Der Röntgengenerator 1 müsste also ausreichend
robust dimensioniert sein, um im Falle eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre 15
Ströme im Kilo-Ampere-Bereich zu überstehen.
[0029] In einer abgeänderten Variante der Schaltung in Figur 5 weisen die Abschluss-Widerstände
39 (R
A) nicht die gleiche Impedanz wie die abzuschließenden Hochspannungs-Leitungen 11,
13 auf, sondern die doppelte Impedanz oder mehr, also mindestens 90 Ohm. Durch diese
Dimensionierung wird eine weitgehend aperiodische Entladung der Hochspannungs-Leitungen
11, 13 bewirkt. Die aperiodische Entladung geht stufenweise vor sich und erfordert
längere Zeit als die Entladung durch Abschluss-Widerstände 39 (R
A) mit der optimalen Impedanz von 45 Ohm. Die höhere Dimensionierung der Abschluss-Widerstände
39 (R
A) hat jedoch den Vorteil, dass der Röntgenröhren-seitige Kurzschluss-Strom stärker
begrenzt wird. Ein Nachteil besteht in der höheren Dauerverlustleitung, wie durch
den Abfall der Hochspannung über den Abschluss-Widerständen 39 (R
A) verursacht wird. Außerdem ist beim Betrieb einer so ausgerüsteten Röntgeneinrichtung
zu beachten, dass die Röntgengeneratorseitig gemessene Röntgenröhrenspannung um den
erhöhten Spannungsabfall verkehrt gemessen wird. Dies kann aber durch eine rechnerische
Korrektur des Messwertes kompensiert werden.
[0030] Figur 6 zeigt einen unter den beschriebenen Aspekten verbesserten Hochspannungskreis gemäß
der Erfindung. Bei diesem ist hinsichtlich der Abschluss-Widerstände insofern ein
Kompromiss realisiert, als hier sowohl die anodische Hochspannungs-Leitung 11 als
auch die kathodische Hochspannungs-Leitung 13 jeweils nur auf einer Seite durch einen
Abschluss-Widerstand 39 (R
A) abgeschlossen sind. Die Impedanz der Abschluss-Widerstände 39 (R
A) ist ungefähr gleich groß wie die Leitungsimpedanz der Hochspannunges-Leitungen 11
und 13, also ungefähr 45 Ω. Die Figur 6 zeigt den Röntgengenerator 1, darin befindlich
den Primärspannungs-Erzeuger 3, die Hochspannungs-Transformatoren 5, die Gleichrichter-
und Dämpfungsbauelemente 7, die Dämpfungs-Widerstände 9 (R
D) sowie den Heizstromtransformator 21. Der Röntgengenerator 1 ist über die mit der
Erdung 23 verbundenen koaxialen Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 mit der Röntgenröhre
15 verbunden.
[0031] Die Abschluss-Widerstände 39 (R
A) sind zwischen den Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 und der Röntgenröhre 15 in Serienschaltung
angeordnet. Der lediglich einseitige Abschluss der Hochspannungs-Leitungen 11 und
13 verhindert das Entstehen einer dauerhaften Schwingung bei Auftreten eines Kurzschlusses
in der Röntgenröhre 15.
[0032] Von den beiden zum Ladungsausgleich in den Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 auseinanderlaufenden
Wellen mit der Spannung +U
0/2 bzw. -U
0/2 wird lediglich die jeweils in Richtung Röntgengenerator 1 laufende refklektiert,
da lediglich generatorseitig ein Impedanz-Sprung auftritt. In der mit Abschluss-Widerständen
39 (R
A) ausgestatteten Richtung zur Röntgenröhre 15 laufen die Wellen ohne reflektiert zu
werden weiter und die Ladungen können abfließen. Daher endet der Vorgang des Ladungsausgleiches
nach einmaliger Reflexion. Der lediglich einseitige Abschluss der Hochspannungs-Leitungen
11 und 13 bietet so ein ausreichend schnelles Abklingen der Störsignale und damit
eine ausrechende Dämpfung von Überspannungen.
[0033] Auf der kathodischen Hochspannungsseite tritt die Besonderheit auf, dass der Kathode
nicht nur der negative Teil der Röntgenröhrenspannung zugeführt wird, sondern zusätzlich
auch der Heizstrom für die Kathode. Bei einer üblichen Zweifokusröhre sind also insgesamt
drei Leitungen vorhanden, die die beiden Kathodenwendeln mit Heizstrom und der kathodischen
Röntgenspannung versorgen. Würde in die Heizstrom-Versorgung ebenfalls ein Abschluss-Widerstand
eingefügt werden, so würden unvertretbar hohe Verluste beim Heizstrom - der immerhin
einige Ampere beträgt - verursacht werden. Da die drei Abschluss-Widerstände auf den
Leitungen parallel zueinander geschaltet wären, müssten sie zudem einen dreimal größeren
Widerstandswert als der einfache Abschluss-Widerstand 39 (R
A) aufweisen, weswegen sich die Heizstrom-Verluste sogar noch verdreifachen würden.
[0034] Um trotzdem den Heizstrom-Transformator 21 im Falle eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre
15 vor Überspannungen und Störsignalen zu schützen, werden deswegen anstelle von Abschluss-Widerständen
zusätzliche Filter-Induktivitäten 40 eingeführt. Diese zusätzlichen Filter-Induktivitäten
40 werden als stromkompensierte Drosseln ausgeführt und in aller Regel durch Löten
verbunden. Sie haben die Aufgabe, die hochfrequenten Störsignale in der Hochspannungs-Leitung
13 zu blockieren, den niederfrequenten Heizstrom hingegen passieren zu lassen. Insofern
stellen sie eine Tiefpassfilterung dar. Zu diesem Zweck sind sie in serieller Schaltung
zwischen der Röntgenröhre 15 und der Hochspannungsleitung 13 sowie dem Heizstrom-Transformator
21 angeordnet und in paralleler Schaltung zu dem Abschluss-Widerstand 39 (R
A). Die Größe der Filter-Induktivitäten 40 ist abhängig von den Störsignalen in der
Hochspannungs-Leitung 13 bzw. 11 zu bemessen. Da die Störsignale sich im Mega-Hertz-Bereich
bewegen, der Heizstrom üblicherweise im Kilo-Hertz-Bereich, sind die Filter-Induktivitäten
40 mit einer Größe von etwa 50 Mikro-Henry zu bemessen.
[0035] In einer verbesserten Ausführungsform dieser Schaltung wäre es möglich, die Filter-Induktivitäten
40 auf der kathodischen Hochspannungsseite als stromkompensierte Drossel auszuführen,
um so die Gesamtinduktivität gegenüber dem Heizstrom nochmals zu reduzieren, ohne
die Filter-Wirksamkeit gegenüber den hochfrequenten Störungssignalen zu verringern.
[0036] Figur 7 zeigt eine weitere Variante, die bezüglich der Versorgung der Kathode mit Heizstrom
wesentlich geändert ist. Figur 7 zeigt den Hochspannungskreis mit dem Röntgengenerator
1 und den bereits aus den vorhergehenden Figuren bekannten internen Baugruppen. An
den Röntgengenerator 1 sind die anodische Hochspannungs-Leitung 11 und die kathodische
Hochspannungs-Leitung 13 angeschlossen, diese wiederum sind mit den Abschluss-Widerständen
39 (R
A) in Serienschaltung verbunden. Bei dem bisher gezeigten, herkömmlichen Aufbau der
Röntgeneinrichtung ist der Heizstrom-Transformator 21 in der Peripherie der Röntgenröhre
15 angeordnet, etwa im Röntgengenerator 1 oder innerhalb des Hochspannungstanks, der
die Röntgenröhre 15 zum Schutz der Umgebung vor Hochspannung und Strahlung umgibt.
Im Gegensatz zu diesem herkömmlichen Aufbau ist der Heizstrom-Transformator 21 in
Figur 7 innerhalb der Röntgenröhre 15 angeordnet. Dadurch ist der Heizstrom-Transformator
21 von den Störungsvorgängen in der Hochspannungs-Leitung 13 von vorne herein entkoppelt.
Es müssen daher keine zusätzlichen Filter-Induktivitäten zur Filterung von Überspannungen
oder Störsignalen vor der Heizstrom-versorgung angeordnet werden.
[0037] Es ist offensichtlich, dass diese Variante der Erfindung eine Änderung im Aufbau
der gesamten Röntgeneinrichtung erforderlich macht. Dagegen können Änderungen wie
das Ergänzen von Abschluss-Widerständen und zusätzlichen Filter-Induktivitäten mit
deutlich geringerem Aufwand durchgeführt werden.
[0038] Figur 8 zeigt eine weitere Variante des Hochspannungskreises, bei der die Hochspannungs-Leitungen
11 und 13 ebenfalls jeweils einseitig mit Abschluss-Widerständen 39 (R
A) versehen sind. Figur 8 zeigt den Röntgengenerator 1 mit den Dämpfungs-Widerständen
9 (R
D) und ansonsten gleichen Bauelementen wie in den vorhergehenden Figuren. An den Röntgengenerator
1 sind sowohl auf der anodischen als auch auf der kathodischen Seite die Abschluss-Widerstände
39 (R
A) angeschlossen, mit denen wiederum die koaxialen Hochspannungs-Leitungen 11 und 13
mit jeweiligen Erdungen 23 verbunden sind. Die Abschluss-Widerstände 39 (R
A) sind seriell zwischen den Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 und dem Röntgengenerator
1 geschaltet. Im Röntgengenerator 1 sind außerdem in üblicher Weise Dämpfungs-Widerstände
9 (R
D) angeordnet, die-in der üblichen Größenordnung von einigen Kilo-Ohm bemessen sind.
Die Abschluss-Widerstände 39 (R
A) sind also zusätzlich zu den Dämpfungs-Widerständen 9 (R
D) innerhalb des Röntgengenerators 1 vorgesehen.
[0039] Zwischen den Abschluss-Widerständen 39 (R
A) und den Dämpfungs-Widerständen 9 (R
D) des Röntgengenerators 1 sind Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41 (C
H) vorgesehen, in aller Regel Keramik- oder Folien-Kondensatoren, die durch Löten verbunden
werden. Die Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41 (C
H) sind mit dem jeweiligen Verbindungspunkt zwischen den Dämpfungs-Widerständen 9 (R
D) und den Abschluss-Widerständen 39 (R
A) sowie mit der jeweiligen Erdung 23 verbunden. Sie sind also parallel zu den Dämpfungs-Widerständen
9 (R
D) und parallel zu den Abschluss-Widerständen 39 (R
A) geschaltet.
[0040] Die Hochspannungs-Leitungen 11 und 13 sind bei dieser Variante der Schaltung mit
der Serienschaltung der jeweiligen Abschluss-Widerstände 39 (R
A) und den jeweiligen Hochspannungs-Glättungs-Kapazität 41 (C
H) abgeschlossen. Damit näherungsweise nur der Ohm'sche Widerstand der Abschluss-Widerstände
39 (R
A) zur Leitungsimpedanz beiträgt, müssen die Hochspannungs-Glättungs-Kapazitäten 41
(C
H) groß genug gewählt sein, um bezüglich der Ausgleichsvorgänge in den Hochspannungs-Leitungen
11 und 13 niederohmig zu wirken. Mit dem für diesen Zweck erforderlichen Wert von
etwa 50 Nano-Farad ist diese Variante der Schaltung insbesondere in Röntgeneinrichtungen
von Interesse, in deren Hochspanungskreis von vorneherein eine große Hochspannungs-Glättungs-Kapazität
vorgesehen ist.
[0041] Figur 9 zeigt eine Simulation des Spannungsverlaufs an der Kathode eines herkömmlichen
Hochspannungskreises einer Röntgeneinrichtung, wie er in Figur 1 dargestellt ist.
In Figur 9 ist die kathodische Hochspannung über der Zeit aufgetragen, wobei von einer
Röntgen-typischen Hochspannung von 100 Kilo-Volt ausgegangen wird. Bei 50 Nano-Sekunden
wird ein Kurzsschluss in der Röntgenröhre simuliert, der deutlich am Zusammenbrechen
der kathodischen Spannung erkennbar ist. Der Kurzschluss setzt schlagartig ein und
endet ebenso schlagartig bei 300 Nano-Sekunden. Dargestellt sind zwei Spannungsverläufe,
von denen einer am Anfang der Hochspannungs-Leitung 13 abgegriffen ist, der andere
am Ende der Hochspannungs-Leitung 13. Deutlich zu erkennen sind starke Störsignale,
die sich nach Ende des Kurzschlusses über längere Zeit und mit deutlichen Überspanhungsspitzen
fortsetzen. Während des Auftretens dieser Störungen wäre ein Betrieb der Röntgenröhre
nicht sinnvoll möglich bzw. Bauteildefekte könnten auftreten.
[0042] Figur 10 zeigt die gleiche Simulation bei Zugrundelegung einer Schaltung gemäß der Erfindung,
wie er in Figur 6 dargestellt ist. Dargestellt ist wieder die kathodische Spannung
über der Zeit. Die beiden Spannungsverläufe stellen wieder die Spannung am Anfang
bzw. am Ende der Hochspannungs-Leitung 13 dar. Bei 50 ns setzt schlagartig ein Kurzschluss
in der Röntgenröhre ein, der bei 300 ns ebenso schlagartig endet. Nach Ende des Kurzschlusses
bleiben Überspannungen und Störsignale völlig aus. Stattdessen steigt die kathodische
Spannung, gedämpft durch den Abschluss-Widerstand und die Filterinduktivitäten, nach
und nach wieder an. Nach etwa 7 MikroSekunden, ein Zeitpunkt, der in Figur 10 nicht
mehr dargestellt ist, erreicht die Kathode wieder die Betriebsspannung.
[0043] Durch die Einführung von Abschluss-Widerständen und dazu parallel geschalteten Filter-Induktivitäten
gelingt es also, die Röntgeneinrichtung vor Störungen und Beschädigungen durch die
Folgen eines Kurzschlusses in der Röntgenröhre weitestgehend zu bewahren. Es muss
lediglich eine geringe Zeit in Kauf genommen werden, bis nach Ende eines Kurzschlusses
in der Röntgenröhre die Röntgenspannung wieder erreicht ist, so dass mit dem Betrieb
der Röntgeneinrichtung fortgefahren werden kann.
1. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) _für eine Röntgeneinrichtung mit einer Röntgenröhre
(15) und einem Röntgengenerator (1) zur Erzeugung der für den Betrieb der Röntgenröhre
(15) erforderlichen Hochspannung, wobei die Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23)
eine elektrisch leitfähige Leitung (11, 13) zur Verbindung des Röntgengenerators (1)
mit der Röntgenröhre (15) aufweist, wobei die Leitung (11, 13) ein Ende aufweist,
an dem sie mit dem Röntgengenerator (1) verbindbar ist, und ein weiteres Ende, an
dem sie mit der Röntgenröhre (15) verbindbar ist, wobei mindestens ein Ende der Leitung
(11, 13) mit einem elektrischen Abschluss-Widerstand (39) verbunden ist, der zwischen
der Leitung (11, 13) und dem Röntgengenerator (1) oder zwischen der Leitung (11, 13)
und der Röntgenröhre (15) angeordnet ist, wobei durch die Hochspannungs-Versorgung
(11, 13, 23) eine Kathode (19) der Röntgenröhre (15) mit einem Transformator (21)
zur Erzeugung von Heizstrom für die Kathode (19) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass in jeder elektrischen Leitung zur Verbindung von Heizstrom-Transformator (21) und
Kathode (19) eine Filter-Induktivität (40), insbesondere in der Größenordnung von
50 µH, in serieller Schaltung angeordnet ist, dass mit dem mit der Kathode (19) verbindbaren
Ende der Leitung (13) zur Verbindung von Röntgengenerator (1) und Kathode (15) ein
Abschluss-Widerstand (39) in serieller Schaltung verbunden ist, dass mit dieser Leitung
(13) auch der Heizstrom-Transformator (21) verbindbar ist, und dass jede der besagten
Filter-Induktivitäten (40) parallel zu dem Abschluss-Widerstand (39) angeordnet ist.
2. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abschluss-Widerstand (39) und/oder die Abschluss-Widerstände (39) in serieller
Schaltung zwischen der Leitung (11, 13) und dem Röntgengenerator (1) oder der Röntgenröhre
(15) anordenbar sind.
3. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Abschluss-Widerstands (39) und/oder der Abschluss-Widerstände (39)
entweder gleich groß oder mindestens doppelt so groß wie die Leitungsimpedanz der
damit verbundenen Leitung (11, 13) ist.
4. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils genau ein Abschluss-Widerstand (39) mit einer Leitung (11) zur Verbindung
von Röntgengenerator (1) und einer Anode (17) der Röntgenröhre (1) und mit einer Leitung
(13) zur Verbindung von Röntgengenerator verbunden ist.
5. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Filter-Induktivitäten (40) als stromkompensierte Drossel ausgeführt
sind.
6. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschluss-Widerstand (39) mit dem mit dem Röntgengenerator (1) verbindbaren Ende
einer Leitung (11, 13) zur Verbindung von Röntgengenerator (1) und Röntgenröhre (15)
verbunden ist, und dass mit der Verbindung zwischen Röntgengenerator (1) und Abschluss-Widerstand
(39) eine Hochspannungs-Glättungs-Kapazität (41) seriell zur Erdung (23) verbindbar
ist, insbesondere in der Größenordnung von 50 nF.
7. Hochspannungs-Versorgung (11, 13, 23) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschluss-Widerstände (39) jeweils mit den mit der Röntgenröhre (1) verbindbaren
Enden von Leitungen (11, 13) zur Verbindung von Röntgengenerator (1) und Röntgenröhre
(15) verbunden sind.
1. High-voltage supply (11, 13, 23) for an x-ray device comprising an x-ray tube (15)
and an x-ray generator (1) for generation of the high voltage necessary for operating
the x-ray tube (15), with the high voltage supply (11, 13, 23) having an electrically-conductive
line (11, 13), for the connection of the x-ray generator (1) to the x-ray tube (15),
with the line (11, 13) having one end at which it can be connected to the x-ray generator
(1) and a further end at which it can be connected to the x-ray tube (15), with at
least one end of the line (11, 13) being connected to an electrical terminal resistor
(39) which is arranged between the line (11, 13) and the x-ray generator (1), or between
the line (11, 13) and the x-ray tube (15), it being possible by means of the high
voltage supply for a cathode (19) of the x-ray tube (15) to be connected to a transformer
(21) for generation of heating current for the cathode (19), characterised in that
a filter inductor (40), in particular in the order of 50 µH, is arranged in series
in each electrical line for the connection of the heating current transformer (21)
and the cathode (19), that a terminal resistor (39) is connected in series with the
end of the line (13) which can be connected to the cathode (19) for the connection
of the x-ray generator (1) and the cathode (15), that the heating current transformer
(21) can also be connected to this line (13) and that each of the said filter inductors
(40) is arranged in parallel with the terminal resistor (39).
2. High-voltage supply (11, 13, 23) according to claim 1, characterized in that the terminal resistor and/or resistors (39) can be arranged in series between the
line (11, 13) and the x-ray generator (1) or the x-ray tube (15).
3. High-voltage supply (11, 13, 23) according to one of the preceding claims,
characterised in that
the impedance of the terminal resistor and/or resistors (39) is either equally as
large or at least twice as large as the line impedance of the line (11, 13) connected
thereto.
4. High-voltage supply (11, 13, 23) according to one of the preceding claims,
characterised in that
just one terminal resistor (39) is connected in each instance to a line (11) for the
connection of the x-ray generator (1) and an anode (17) of the x-ray tube (1) and
to a line (13) for the connection of the x-ray generator.
5. High-voltage supply (11, 13, 23) according to one of the preceding claims,
characterised in that
the said filter inductors (40) are embodied as common mode chokes.
6. High-voltage supply (11, 13, 23) according to one of the preceding claims,
characterised in that
a terminal resistor (39) is connected to the end of a line (11, 13) which can be connected
to the x-ray generator (1) for the connection of the x-ray generator (1) and the x-ray
tube (15), and that with the connection between the x-ray generator (1) and the terminal
resistor (39), a high-voltage smoothing capacitor (41) can be connected in series
with the earth (23), in particular in the order of 50 nF.
7. High-voltage supply (11, 13, 23) according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
characterised in that
the terminal resistors (39) are each connected to the ends of lines (11, 13) which
can be connected to the x-ray tube (1) for connection of the x-ray generator (1) and
the x-ray tube (15).
1. Alimentation haute tension (11, 13, 23) pour une installation radiographique comprenant
un tube à rayons X (15) et un générateur de rayons X (1) pour produire la haute tension
nécessaire pour le fonctionnement du tube à rayons X (15), l'alimentation haute tension
(11, 13, 23) comprenant une ligne électroconductrice (11, 13) de connexion du générateur
de rayons X (1) au tube à rayons X (15), la ligne (11, 13) présentant une extrémité
au niveau de laquelle elle peut être reliée au générateur de rayons X (1) et une autre
extrémité au niveau de laquelle elle peut être reliée au tube à rayons X (15), au
moins une extrémité de la ligne (11, 13) étant reliée à une résistance électrique
terminale (39) qui est installée entre la ligne (11, 13) et le générateur de rayons
X (15) ou entre la ligne (11, 13) et le tube à rayons X (15), une cathode (19) du
tube à rayons X (15) pouvant être reliée, grâce à l'alimentation haute tension (11,
13, 23), à un transformateur (21) servant à produire un courant de chauffage pour
la cathode (19), caractérisée en ce qu'une inductance de filtre (40), notamment d'un ordre de grandeur de 50 µH, est montée
en série dans chaque ligne électrique de connexion du transformateur à courant de
chauffage (21) à la cathode (19), en ce qu'une résistance terminale (39) est branchée en série avec l'extrémité, pouvant être
reliée à la cathode (19), de la ligne (13) de connexion du générateur de rayons X
(1) à la cathode (15), en ce que le transformateur à courant de chauffage (21) peut également être relié à cette ligne
(13) et en ce que chacune des inductances de filtre (40) mentionnées est parallèle à la résistance
terminale (39).
2. Alimentation haute tension (11, 13, 23) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résistance terminale (39) et/ou les résistances terminales (39) peuvent être branchées
en série entre la ligne (11, 13) et le générateur de rayons X (1) ou le tube à rayons
X (15).
3. Alimentation haute tension (11, 13, 23,) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée en ce que l'impédance de la résistance terminale (39) et/ou des résistances terminales (39)
est soit égale à, soit au moins égale au double de l'impédance de ligne de la ligne
à laquelle elle/s est/sont reliée/s.
4. Alimentation haute tension (11, 13, 23) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée en ce que, à chaque fois, exactement une résistance terminale (39) est reliée à une ligne (11)
de connexion du générateur de rayons X (1) à une anode (17) du tube à rayons X (1)
et à une ligne (13) de connexion du générateur de rayons X.
5. Alimentation haute tension (11, 13, 23) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée en ce que les inductances de filtre (40) mentionnées sont exécutées en tant que selfs à compensation
de courant.
6. Alimentation haute tension (11, 13, 23) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée en ce qu'une résistance terminale (39) est reliée à une extrémité, pouvant être reliée au générateur
de rayons X (1), d'une ligne (11, 13) de connexion du générateur de rayons X (1) au
tube à rayons X (15) et en ce qu'un condensateur de lissage de la haute tension (41), notamment d'un ordre de grandeur
de 50 nF, monté en série avec la terre (23) peut être relié à la jonction entre le
générateur de rayons X (1) et la résistance terminale (39).
7. Alimentation haute tension (11, 13, 23) selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou
7, caractérisée en ce que les résistances terminales (39) sont reliées à chaque fois aux extrémités, pouvant
être reliées au tube à rayons X (1), de lignes (11, 13) de connexion du générateur
de rayons X (1) au tube à rayons X (15).