DE2318493A1

DE2318493A1 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung des elektronen-entladungsstroms in einer elektronenroehre

Info

Publication number: DE2318493A1
Application number: DE2318493A
Authority: DE
Inventors: Zed J Oak Brook Atlee; George L Fulton; Robert M Gager
Original assignee: Picker Corp
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-04-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: JPS4943588A; CA980011A; US3783287A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Vficka^nn, 2318493

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipping. F. A.¥eickmann, D1PL.-CHEM. B. Huber

XPR

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Cleveland, Ohio 44124/V.St.A.

Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Elektronen-EntladungsStroms in einer Elektronenröhre
I

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des in einer Elektronenröhre zwischen einer thermionischen Kathode und einer Anode durch eine Hochspannung erzeugten Elektronen-Entladungsstroms. *

Röhren der hier in Betracht kommenden Art sind beispielsweise Röntgenröhren oder andere mit Hochspannung gespeiste Elektronen-Entladungsanordnungen. Besondere Anwendung findet die Erfindung in einer elektrischen Schaltung zum Betrieb einer Röntgenröhre mit einer Stabilisierungselektrode bereits vorgeschlagener Art, mit der der Anodenstrom der Röhre praktisch konstant gehalten werden kann. Schaltungsanordnungen zur Stabilisierung des Elektronenstroms in Röntgenröhren sind beispielsweise durch die US-Patentschriften 2 617 045 und 2 810 838 bekannt. Die Stabilisierung erfolgt bei diesen Schaltungen durch Einstellung des Heizstroms, der durch den Kathodenheizfaden fließt und mit dem der Elektronenemissionsstrom der Kathode geändert werden kann. Dieses Verfahren arbeitet zufriedenstellend bei Violframkathoden, die auf eine extrem hohe Temperatur während des normalen Betriebs erhitzt werden, so daß eine

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Erhitzung und Abkühlung des Heizfadens zur Einstellung-des EmissionsStroms durch Änderung des Heizstroms schnell durchführbar ist₀ Diese Art der Stabilisierung ist jedoch für einige Anwendungen von Röntgenröhren zu langsam, in denen thorierte Wolframfäden verwendet werden, da. sie bei viel niedrigeren Temperaturen als reine Wolframfäden arbeiten und daher langsamer abkühlen. Sollen beispielsweise schnelle Bestrahlungen! von weniger als ca. 0,5 Sekunden Dauer durchgeführt werden, so können Röntgenröhren mit thorierten Wolfram· fäden unter Anwendung der bekannten Stabilisierungsschaltungen nicht eingesetzt werden, ohne einen gewissen Kompromiß hinsichtlich des,Stabilisierungsgrades einzugehen, da sie den Anodenstrom nicht schnell genug stabilisieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Stabilisierungsschaltung anzugeben, die ein schnel-.les Ansprechverhalten zeigt und den Anodenstrom einer Röntgenröhre oder einer anderen Elektronen-Entiadungsanordnung praktisch konstant hält.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß eine den Elektronenstrom an der Anode auswertende Schaltung eine Stabilisierungsspannung an eine in der Elektronenröhre vorgesehene Stabilisierungselektrode liefert, durch die ein Teil der Elektronen auf die Stabilisierungselektrode geleitet wird, und daß diese Schaltung ferner die Stabilisierungsspannung entsprechend Elektronenstromänderungen derart ändert, daß der Elektronenstrom an der Anode konstant bleibt.

Der Stabilisierungselektrode wird also eine Stabilisierungsspannung zugeführt, die proportional jeder Änderung des Anodenstroms ist. Diese Stabilisierungsspannung hat eine Polarität und Amplitude, die eine Verringerung der Anodenstromände-

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rungen zur Folge hat. Sine Schaltungsanordnung nach der Erfindung eignet sich besonders für impulsmäßig gesteuerte Röntgenröhren beispielsweise in der Kineradiographie, sie kann für eine Röntgenröhre angewendet werden, die zwei Kathodenheizfäden hat, deren einer für Niederstrom-Fluoroskopie und deren anderer für Hochstrom-Punktfilmradiographie vorgesehen ist.

Die separate Stabilisierungselektrode kann' in der Röntgenröhre bezüglich der Anode hinter dem Kathodenheizfaden angeordnet sein. Sie spricht unmittelbar auf ihre Steuergröße an und sammelt einen Teil der emittierten Elektronen, \vodurch der Elektronen-Sntladungsstrom zur Anode hin reduziert wird. Die Menge der gesammelten Elektronen ändert sich dabei entsprechend der Amplitude der Stabilisierungsspannung, so daß der Anodenstrom praktisch konstant gehalten wird. Diese Stabilisierungsschaltung arbeitet praktisch verzögerungsfrei, da ihr Betrieb nicht von der Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit des Kathodenheizfadens abhängt.

Die StabiIisierungsschaltung nach der Erfindung kann ferner mit einer zweiten Stabilisierungsschaltung arbeiten, die durch ein Steuersignal proportional der Stabilisierungsspannung der ersten Schaltung angesteuert wird und den Heizstrom des Kathodenheizfadens ähnlich wie bereits bekannt ändert. Die zweite Stabilisierungsschaltung übernimmt dabei allmählich die Stabilisierung des Anodenstroms von der ersten Stabilisierungsschaltung und verringert die Stabilisierungsspannung. Dadurch ergibt sich ein wirksamerer Betrieb, der eine unzweckmäßige Erwärmung der Stabil!- sierungselektrode durch den Elektronen-Entladungsstrora verhindert. Zwischen einer den Anodenstrom überwachenden Anordnung im Hochspannungsnetzgerät und dem. Eingang der ersten Stabilisierungsschaltung kann eine LichtSignalkopplung vorgesehen sein, die das Stabilisierungs-Spannungssignal

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ohne eine Hochspannungsisolation,erzeugt. Eine ähnliche Lichtkopplung ist zwischen dem Ausgang der ersten Stabilisierungsschaltung und dem Eingang eines Differenzverstärker in der" zweiten Stabilisierungssehaltung vorgesehen, wobei dieser ein Steuersignal zugeführt wird, das proportional dem Stabilisierungsspannungssignal der ersten Stabilisierungsschaltung ist.

Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung eignet sich also 'vorzüglich für impulsmäßig gesteuerte Röntgeneinrichtungen mit Röhren, in denen Kathodenfäden aus thoriertem Ivolfram verwendet sind. Sie ermöglicht ein schnelles Stabilisieren des zwischen der Kathode und der Anode solcher Röhren erzeugten Elektronenstroms.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Stabilisierungsschaltung nach der Erfindung und-

Fig. 2 die schaltungstechnische Ausführung der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung,

In Fig. 1 ist eine StabiIisierungsschaltung nach der Erfindung dargestellt, in der eine Röntgenröhre 10 oder eine andere Elektronen-Entladungsanordnung mit einer Anode 12 und einer thermionischen Kathode 14 vorgesehen ist, die normalerweise eine Heizfadenkathode aus thoriertem Wolfram ist, jedoch' auch eine indirekt'geheizte Kathode mit einem separaten Heizfaden sein kann. Eine Stabilisierungselektrode 16 ist in dem evakuierten Kolben außerhalb des Fokussierungsfeldes. der Kathode angeordnet und sitzt vorzugsweise bezüglich der Anode 12 hinter der Kathode 14. Diese Position der Stabilisierungselektrode 16 ist erforderlich, um eine Defokussierung des Elektronenstrahls durch das Stabilisierungssignal und eine

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Änderung des Fokussierungspunktes auf der Anode 12 zu verhindern. Die Quelle für die Röntgenstrahlen, die durch einen solchen Punkt gebildet ist, ändert ihre Größe mit Änderungen der Stabilisierungsspannung nicht. Zusätzlich ist eine Steuerelektrode 18 zwischen der Kathode 14 und der Anode 12 vorgesehen, mit der die Röntgenröhre impulsweise ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Steuerelektrode 18 ist als Gitter dargestellt, in praktischer Ausführung kann sie jedoch eine Fokussierungselektrode sein, die wie eine Kathodenschale ausgebildet ist, und deren Form bereits vorgeschlagen wurde. Diese Steuerelektrode ist im Ruhezustand so vorgespannt, daß die Kathode 14 gesperrt ist. Durch eine positivere Spannung wird sie vorübergehend impulsmäßig so angesteuert, da3 ein Elektronen-Sntladungsstrom zwischen der Kathode 14 und der Anode 12 fließen kann. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Erwärmung des Kathodenfadens 14 auch bei gesperrter Röhre, so daß die Röhre eine schnellere Emission zeigt, wenn sie impulsmäßig aufgesteuert wird. Dies ist sehr vorteilhaft für die Kineradiographie, da hier schnelle Impulse mit hohen Stromwerten benötigt werden. Zusätzlich kann ein zweiter Kathodenfad-en 20 in der Röhre vorgesehen sein, der eine kontinuierliche Elektronenentladung mit niedrigen Stromwerten während der Fluoroskopie erzeugt, so daß ein Patient auch niedrigen Röntgenstrahlungswerten ausgesetzt werden kann.

Ein Hochspannungstransformator 22 ist mit seiner positiven Klemme von ca« +50 kV mit der Anode 12 verbunden,.während seine negative Klemme von ca. -50 kV an einer Steuerelektroden-Speiseschaltung 24 liegt, die ihrerseits mit einer gemeinsamen Leitung 26 beider Kathodenheizfaden 14 und 20 verbunden ist. Ein weiterer Ausgang der Steuerelektroden-Speiseschaltung 24 ist über eine Leitung-28 mit der Steuerelektrode IS verbunden und führt ihr positive Spannungsim- ,

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pulse von ca. -55*5 kV Ruhewert und -50,0 kV Spitzenwert zu, mit denen die Röntgenröhre vorübergehend aus ihrem normalerweise gesperrten in den durchlässigen Zustand geführt wird. Diese Impulse werden durch eine Impuls schaltung J>0 erzeugt, die einen Lichtimpuls yi liefert, der durch einen fotoelektrisch^. Detektor in der Speiseschaltung 24 ausgewertet wird. Die Dauer des Lichtimpulses J52 bestimmt somit die Breite dei' am Ausgang 28 erzeugten Spannungsimpulse.

Die Stabilisierungselektrode 16 ist über eine Leitung -J mit dem Ausgang einer Stabilisierungs-Speiseschaltung mit Verstärker 36-verbunden, deren Eingang ein Lichtsignal 38 zugeführt wird, welches durch eine Anodenstromüberwachungsschaltung 40 erzeugt wird. Diese ist mit dem Hochspannungstransformator 26 verbunden, so daß sie Änderungen des Elektronen-EntladungsStroms von einer der Kathoden 14 und 20 zur Anode 12 der Röntgenröhre auswertet und ein entsprechendes Lichtsignal 58 erzeugt, das auf einen fotoelektrischen Detektor in der Stabilisierungs-Speiseschaltung J>S einwirkt. Diese"erzeugt an ihrem Ausgang jJ²*- eine entsprechende Stabilisierungsspannung. Die Stabilisierungsspannung ist proportional der Intensität des Liohtsignals ^8 und hat eine solche Polarität, daß sie der in der Schaltung 40 ausgewerteten Änderung des Anodenstroms entgegenwirkt. Wenn der Strom an der Anode 12 abfällt, wird also ein negativ verlaufendes Stabilisierungssignal der Stabilisierungselektrode 16 zugeführt, so daß weniger emittierte Elektronen an der Stabilisierungselektrode gesammelt und mehr emittierte Elektronen von der Anode 12 angezogen werden und der Anodenstrom auf seinen vorbestimmten Wert ansteigt., Umgekehrt ergibt sich bei ansteigendem Anpdenstrom ein positiv verlaufendes Stabilisierungssignal auf der Leitung ~5h, wodurch mehr emittierte Elektronen von der Stabilisierungselektrode 16 angezogen werden. Dadurch wird die Anzahl der zur Anode 12 emittierten Elektronen verringert und der

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Anodenstrom auf seinen gewünschten Wert abgesenkt. Die Stabilisierungselektrode 16, die -Speiseschaltung mit Verstärker 3>6 und die Überwachungsschaltung 40 bilden also eine erste Stabilisierungsschaltung, die nach Art einer negativen Rückführung arbeitet und den Anodenstrom der Röntgenröhre praktisch konstant hält. Diese erste Stabilisxerungsschaltung hat den Vorteil, daß

ie praktisch augenblicklich anspricht.

Zusätzlich kann eine zweite Stabilisierungsschaltung vorgesehen sein, die,ein langsameres Anspreehverhalten hat und allmählich die Stabilisierungsfunktion von der ersten Stabilisierungsschaltung übernimmt, so daß sich ein wirksamerer Betrieb ergibt. Die zweite Stabilisierungsschaltung enthält einen Differenzverstärker 42, der als Komparator arbeitet und dessen einer Eingang 4;5 mit einer Bezugsgleichspannung am Schleifer eines Potentiometers 44 verbunden ist, dessen Anschlüsse mit dem positiven bzw. negativen Pol einer Gleichspannung verbunden sind. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 42 erhält ein Lichtsignal 46, das vom Ausgang der Speiseschaltung 56 geliefert wird und dessen Lichtintensität dem VJert der am Ausgang J4 dieser Schaltung erzeugtenStabilisierungsspannung entspricht. Das Lichtsignal 46 wird auf einen fotoelektrischen Detektor im Differenzverstärker 42 geleitet, der eine entsprechende Eingangsspannung erzeugt, die mit der Bezugsspannung am Eingang 45 verglichen wird. Dadurch ergibt sich ein Steuersignal an den Ausgängen 48 des Differenzverstärkers 42. Dieses Steuersignal wird dem Eingang einer Stabilisierungsschaltung 50 zugeführt7 deren Ausgangssignal einem Transformator 52 für den Heizfaden zugeführt wird. Damit kann der Heizstrom für die Kathoden 14 und 20 der Röntgenröhre geändert werden. Die Kathodesnstrom-Stabilisierungsschaltung 50 kann gemäß den US-Patentschriften 2 6I7 045 oder 2 810 8j8 aufgebaut sein, so daß Eich die Impedanz in Reihe mit der Primärwicklung

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des Heiztransformators ändert und damit der Heizstrom in der Sekundärwicklung dieses Transformators für die Kathodenheizfäden 14 und 20 entsprechend variiert»

Diese zweite S tabi Ii sie rungs schaltung 42, 50* 52 arbeitet langsamer als'die erste und hält auch den Anodenstrom der Röntgenröhre praktisch konstant. Sie übernimmt allmählich die Funktion «her ersten' Stabilisierungsschaltung«, v;enn der Anodenstrom üjoer einen vorgegebenen Wert ansteigt, wird am Ausgang J4 der Stabilisierungs-Speiseschaltung ^o eine

positiv verlaufende Stabilisierungsspannung erzeugt, und es wird ein entsprechendes Lichtsignal 46 dem Differenzverstärker 42 zugeführt, der dieses Signal mit der Bezugsspannung 4j vergleicht und' ein Steuersignal am Ausgang 48 erzeugt. Dieses Steuersignal verringert den_ Heizstrom im Heizfaden 14, so daß die Temperatur dieses Heizfadens entsprechend abgesenkt und die jilektronenemission verringert wird» Dadurch fällt der Anodenstrom ab, und das,Lichtsignal yo der Überwachungsschaltung 4o verringert seine Intensität. Damit wird wiederum-die Stabilisierungsspannung J>h und die Intensität des Lichtsignals 46 verringerte Dieser Vorgangsetzt sich fort, bis der Anodenstrom der Röntgenröhre auf dem vorgegebenen Wert stabilisiert' ist. Zu diesem Zeitpunkt hat das Ausgangssignal am Ausgang 48 des DifferenzVerstärkers 42 den Wert Null.

Es sei bemerkt, daß ein Wählschalter 54· iⁿ Reihe mit einer Netzwechselspannung 56 vorgesehen sein kann, so daß wahlweise die Netzwechselspannung der Primärwicklung des Heiztransformators entweder für den Hochstromheizfaden 14 oder den Niederstromheizfaden 20 zugeführt werden kann. Zusätzlich ist es möglich, den Schalter 54 zur wahlweisen Einschaltung des jeweiligen Heizfadens auszunutzen, indem lediglich eine hohe Reihenimpedanz kurzgeschlossen wird, so da3 der Heiz-

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strom auf einen 3missio:iswert erhöht wird. Dabei vier den die Heizströme in beiden Faden auf einem niedrigeren Ruhestrorawert gehalten, so dal3 die Ansprechgeschwindigkeit beim Umschalten zwischen den Heizfäden erhöht wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Stabilisierungsanordnung kann mit einer schaltungstechnischen Ausführung nach Fig. 2 verwirklicht werden, die im folgenden unter Anwendung derselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 beschrieben wird. Der Hochspannungstransformator 22 ist ein Dreiphasentransformator mit drei Sekundärwicklungen 53, die über Dioden 60 mit einer gemeinsamen Anodenspannungsleitung 62 verbunden sind. Über diese wird eine positive Spannung von ca, +50 kV der Anode 12 der Röntgenröhre 10 zugeführt.Eine Strombegrenzungsdiode 64 ist in Reihe zwischen den Ausgangsanschluß 62 des Hochspannungstransforraators 22 und die Anode 12 der Röntgenröhre 10 geschaltet. Ferner ist ein Filter mit einem Widerstand 66 parallel zu einem Kondensator 68 zwischen der Anode der Strombegrenzungsdiode 64 und Massepotential vorgesehen. Drei weitere Sekundärwicklungen 70 des Hochspannungstransformators 22 sind über weitere Gleichrichterdioden 72 mit einer gemeinsamen Kathcdenspannungsleitung Tk verbunden und liefern eine negative Spannung von ca. -50 kV auf die gemeinsame Leitung 26 an den Kathoden 14 und 20 der Röntgenröhre 10 über die Steuerelektroden-Speiseschaltung 24. Sine weitere Strombegrenzungsdiode 76 ist in Reihe mit dem Ausgang 74 des Hochspannungstransformators 22 geschaltet. Ein Filter mit einem V.'iderstand 75 und einem parallel dazu liegenden Kondensator 77 ist zwischen die Kathode der Diode 76 und Massepotential geschaltet. Die Anode der Diode 76 ist mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 78 der Steuerelektroden-Speiseschaltung 24 verbunden, so daß hier eine negative Spannung von ca. -50 kV liegt. Diese Spannung dient als Bezugsspannung für die Steuerelektrode lo, die Kathoden 14

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und 20 und die Stabilisierungselektrode 16 und wird über ' eine Zenerdiode dO den Sekundärwicklungen eines Steuerelektroden-Speisetransformators 82 zugeführt«,

Die Steuerelektroden-Speisespannung 24 enthält eine erste Sekundärwicklung 84 des Transformators 82, die an einen Brückengleichrichter 86 angeschaltet ist und eine positive Gleichspannung von ca. +I750 Volt an der rechten Seite des Brückengleichrichters.erzeugt. Diese Gleichspannung wird dem oberen Anschluß eines Widerstandes 88 zugeführt, An der linken Seite des Brückengleichrichters wird eine negative Gleichspannung von ca. -1750.VoIt abgenommen, die. dem unteren Anschluß des Widerstandes 83 zugeführt wird. Ein Kondensator 90 ist dern V.'iderstand 88 parallelgeschaltet und wirkt als Glättungskondensator. Der obere Anschluß dieses Filters ist über einen Strombegrenzungswiderstand 92 mit dem gemeinsamen Anschluß 26 der Kathodenheizfäden 14 und 20 der Röntgenröhre 10 verbunden. Die Steuerelektrode 18 ist über die Leitung 28 und zwei Serienwiderstände 94 und 96 mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt 78 verbunden, so daß eine negative Spannung von ca. -50 kV an der Steuerelektrode liegt. Sine Ruhespannung von ca. -47 kV liegt an der Kathode 14 -und ergibt sich als Summe aus +5 kV am Brückengleichrichter 86 und aus -50 kV am Brückengleichrichter über eine Leitung 98. Auf diese Weise ist die Röntgenröhre im Ruhezustand mit einer Sperrspannung von ca. -5000 Volt beschaltet.

Zwei Elektronenröhren 100 und 102, beispielsweise Pentoden, sind mit ihren Kathoden zusammengeschaltet und liegen an der Leitung 98, während ihre Anoden gemeinsam mit dem Strombegrenzungswiderstand 92 verbunden sind. Die Steuergitter der Röhren 100 und 102 sind über Widerstände 104 bzw. 1Oo mit " einer Quelle für positive Spannungsimpulse verbunden, die

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die Röhren vorübergehend aus ihrem gesperrten in den durchlässigen Zustand überführen.· Dadurch wird die Steuerelektroden-Speiseschaltung kurzgeschlossen, so daß die gesamten 3000 Volt am Strombegrenzungswiderstand 92 abfallen. Drdurch wird die Kathodenspannung auf der Leitung 26 vorübergehend auf -50 kV verringert, so daß sie gleich der Steuerelektrodehspannung an der Leitung 28 ist« Damit wird die Sperrspannung von der Röntgenröhre entfernt und diese in den leitenden Zustand übergeführt. Die von der Kathode 14 emittierten Elektronen bombardieren die Anode 12 und erzeugen einen Röntgenstrahlenimpuls, der in der Kineradiographie zur Aufzeichnung eines Röntgenstrahlenbildes auf Film ausgenutzt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt werden die Steuerelektrode 18 und die Kathode 14 der Röntgenröhre durch einen Bezugswiderstand I08 und eine Diode 110, die zwischen den Leitungen 26 und 28 in Reihe geschaltet sind, auf übereinstimmendem Potential gehalten.

Ein Überspannungsschutzwiderstand 112 ist in Reihe mit einer Zenerdiode 114 an die Elektronenröhren 100 und 102 angeschaltet, um deren Beschädigung im Sperrzustand zu verhindern. Tritt eine Überspannung auf, so wird die Zenerdiode 114 leitend und bewirkt einen Stromfluß durch den Widerstand 112 und einen weiteren V.'iderstand lib nach Masse. Ein Viechselstrom-Kopplungskondensator II8 ist zwischen die gemeinsame Leitung 98 und den Verbindungspunkt der Widerstände und 96 geschaltet, um Spannungsänderungen abzuleiten. Die Heizspannung für die Heizfäden der Röhren 100 und 102 und die Diode 76 wird durch eine weitere Sekundärwicklung 120 des Transformators 82 geliefert, die an der gemeinsamen Leitung 9Ö liegt und über die Leitung 121 mit den Heizfäden verbunden ist. Die Schirmgitter der Röhren 100 und 102 sind über Widerstände 122 und 124 mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt 78 verbunden, während die Bremsgitter mit der je-

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weiligen Kathode verbunden sind.

Die Impulsschaltung JO enthält einen ersten npn-Schalttransistor 126, dessen Basis über einen Widerstand 128 mit einem Eingang IJO verbunden ist. An diesen wird ein positiver Recht-

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eckimpuls mit feiner Breite angeschaltet, die der gewünschten Röntgenstrahlungszeit entspricht. Dieser Impuls schaltet den Transistor 126 aus dem Sperrzustand in den leitenden Zustand und erzeugt an seinem Kollektor einen negativen Impuls. Der Kollektor des Transistors 126 ist über einen Lastwiderstand 1^2 mit einer ^! Gleichspannung von ca. +20 Volt verbunden, während sein Emitter direkt an Masse liegt. Seine Basis ist über einen Widerstand 1^4 mit Masse verbunden. Der negative Impuls am Kollektor des Transistors 126 wird der Basis eines zweiten npn-Schalttransistors 1J>6 zugeführt, der aus seinem normalerweise leitenden Zustand in den Sperrzustand übergeführt wird. Der Kollektor dieses Transistors 1J6 ist über einen Widerstand 1^8 mit der Betriebsspannung von +20 Volt verbunden, während sein Emitter an Masse.liegt. Wenn der TransistorΙ^β gesperrt wird, erzeugt er einen positiven Impuls an seinem Kollektor, der der Basis eines dritten npn-Schalttransistors l4o zugeführt wird, so daß dieser aus seinem normalerweise gesperrten in den leitenden Zustand geführt wird. Der Emitter des Transistors l4o ist mit Masse, verbunden, während sein Kollektor über eine Leuchtdiode 142 und einen Lastwiderstand 144 mit der Gleichspannung von +20 Volt verbunden ist. Wenn der Transistor l40 leitend gesteuert wird, liefert er einen Stromimpuls für die Leuchtdiode 142, so daß diese einen Lichtimpuls J52 mit einer Dauer entsprechend der Breite des Strahlungsimpulses am -Eingang 1^0 der Impulsschaltung JO abgibt. "

Dieser Lichtimpuls J>2. wird einem Fototransistor 146 zugeführt, der mit am Emitter liegender Basis als Diode geschaltet ist

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und in der Steuerelektroden-Speiseschaltung 24 angeordnet ist. Der Lichtimpuls öffnet 'den Transistor 146, so daß dieser einen Spannungsteilerwiderstand 148 kurzschließt, der zwischen seinen Emitter und seinen Kollektor geschaltet ist ο Dadurch fließt, mehr Strom durch einen zweiten Spannungsteilerv:id er stand '150, der zwischen die Basis und den Emitter eines normalerweise,gesperrten npn-Transistors 152 geschaltet ist, so daß dieser leitend gesteuert wird. Der gemeinsame Schaltungspunkt des Emitters des Transistors 152 und des Spannungsteilerwiderstandes I50 ist mit der gemeinsamen Leitung 98 verbunden, so daß eine Spannung von—50 kV an diesem Punkt liegt. Deshalb wird die Lichtkopplung J52 zur elektrischen Isolierung der Niederspannungs-Impulsschaltun^ 30 gegenüber der Hochspannungs-Speiseschaltung 24 ausgenutzt. Der Kollektor des Transistors I52 ist über einen Lastwiderstand 15²J- mit einer Gleichspannung von +50 Volt verbunden, deren tatsächlicher Wert von ca. -49950 Volt* am Ausgang eines Brückengleichrichters I56 beträgt, dessen Eingang an eine dritte Sekundärwicklung I58 des Transformators 02 angeschaltet ist. Der zweite Ausgang des Brückengleichrichters liefert das Bezugspotential gegenüber -50 kV auf der gemeinsamen Leitung 98, die sich den +50 Volt am Brückengleichrichter addieren. Kenn der Transistor I52 leitend gesteuert wird, erzeugt er einen negativ verlaufenden Impuls, der über einen Widerstand ΙβΟ der Basis eines npn-Ausgangstransistors 1β2 zugeführt wird, welcher dann aus seinem normalerweise leitenden in den gesperrten Zustand geschaltet wird. Der Ausgangstransistor 162 ist mit seineiii Emitter an die Leitung 98 angeschaltet, während sein Kollektor über einen Lastwiderstand 164 mit der Gleichspannung von +50 Volt am Ausgang des Brückengleichrichters I56 verbünden ist. Sin V.'iderstand I66 parallel zu einem Kondensator loü ist an den Ausgang des Brückengleichrichters I56 angeschaltet und bildet somit eine Siebschaltung, die die Gleiche pe riming in Höhe von 50 Volt glättet.

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-H-

Die positiv verlaufenden Steuerimpulse am Kollektor des . Ausgangstransistors Io2 werden über eine Schutzdiode I70 den Steuergittern der Röhren 100 und 102 zugeführt, wodurch diese vorübergehend leitend gesteuert werden. Auf diese V/eise wird die Röntgenröhre impulsmäßig gesteuert, da die Sperrspannung zwischen der Steuerelektrode lö und der Kathode 14 vorübergehend entfernt wird und die Elektronen von der Kathode 14 zur Anode. 12 fließen und einen Röntgenstrahlenirnpuls erzeugen können.

V«'ie bereits anhand der Fig. 1 beschrieben, wird zur Konstanthaltung des Entladungsstroms zwischen Kathode und Anode der Röntgenröhre während schneller Strahlungszeiten eine Stabilisierungsspannung vom Ausgang der Stabilisierungs-Speiseschaltung mit Verstärker J>6 über die Leitung 3>4 der Stabilisierungselektrode l6 zugeführt. Dadurch sammelt diese einen Teil der Elektronen, die von der Kathode H emittiert werden, so daß die Stärke des Entladungsstroms gesteuert wird, der die Anode 14 erreicht. Die Slektrodenspeiseschaltung 36 enthält eine Sekundärwicklung I72, die auf dem Transformator 82 vorgesehen sein kann. Ferner ist ein Brückengleichrichter 174 an diese Wicklung angeschaltet, der eine Gleichspannung von ca. 50 Volt an seinem Ausgang erzeugt. Eine Glättungsschaltung mit einem Kondensator I7O parallel zu einem Widerstand I7S ist an den Brückengleichrichter 174 angeschaltet. Der untere Anschluß des Brückengleichrichters 174 ist mit der gemeinsamen Leitung 98 verbunden, so daß das Bezugspotential hier gleichfalls -50 kV beträgt. Das Lichtsignal yd, das durch die Überwachungsschaltung 4o erzeugt wird, wirkt auf einen Fototransistor I80 mit npn-Leitungsfähigkeitstyp ein, der als Diode in der Schaltung po vorgesehen ist. Der Emitter und der Kollektor dieses Fototransistors I80 sind an einen Spannungsteilerwiderstand Iö2 angeschaltet. Dieser ist über einen Strombegrenzungswiderstand 184 mit dem oberen

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Anschluß des Brückengleichriehters Ιγ4 verbunden und mit einem weiteren Spannungsteilerviiderstand 186 in Reihe geschaltet, der ferner Basiswiderstand-für einen npn-Schalttransistor 188 ist. V.enn ein Lichtsignal yd empfangen v^ird, wird die limitter-Kollektor-Impedanz des Transistors I3o verringert, so daß der Strom durch den Widerstand 186 ansteigt und ein positiv verlaufendes Signal an der Basis des Transistors 188 erzeugt, viel eher als ein erster invertierender Verstärker wirkt. Der Kollektor des Transistors. 188 ist über einen Lastwiderstand 190 mit- der positiven Betriebsgleichspannung verbunden, während sein Emitter mit der Bezugsspannung von -50 kV auf der Leitung 98 verbunden ist. Der Transistor 188 invertiert also das positive Signal und gibt ein negatives Signal an seinem Kollektor ab, dessen Spannungsamplitude von der Intensität des Liehtsignals abhängt.

Das negativ verlaufende Signal am Kollektor des Transistors 188 wird über eine Differenzierschaltung mit einem Widerstand I92 parallel zu einem Kondensator 194 der Basis eines weiteren npn-Transistors 196 zugeführt, der als zweiter invertierender Verstärker arbeitet. Die Basis des Transistors 196 ist mit der negativen Gleichspannung über einen Basiswiderstand I98 verbunden, während sein Smitter direkt mit diesem Potential verbunden ist und sein Kollektor über einen Lastwiderstand 200 an der positiven Gleichspannung liegt. Das negativ verlaufende Signal wird verstärkt und invertiert, so daß ein positiv verlaufendes Signal am Kollektor des Transistors 196 entsteht, welches dann über eine weitere Differenzierschaltung mit einem Widerstand 202 parallel zu einem Kondensator 204 geleitet wird. Die Differenzierschaltungen erhöhen die Steilheit der Vorderflanke des Signals, so da3 es eine kürzere Anstiegszeit erhalt. Das positive Signal wird der Basis eines dritten invertierenden Verstärker-

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transistors 205 -zugeführt, der an seinem Kollektor ein nega,-tives Signal abgibt. Die Basis des Transistors 205 ist mit der negativen Gleichspannung über einen Basiswiderstand 206 * verbunden, während sein Emitter, direkt an dieser Spannung liegt. Sein Kollektor ist mit der-positiven Gleichspannung über einen Lastwiderstand 207 verbunden. Ein vierter invertierender Verstärkertransistor 208 ist mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors 205 angeschaltet und invertiert das negative Signal, so daß an seinem Kollektor ein positives Ausgangssignal entsteht. Dieser Transistor 20S hat gleichfalls einen Basiswiderstand 209 und einen Kollektor-Lastwiderstand 210.

Das positive Ausgangssignal des Transistors 208 liefert die Stabilisierungsspannung am Ausgang der Stabilisierungs-Speiseschaltung 56 und wird über eine Leuchtdiode 212 und eine Überspannungsschutzdiode 214 der Stabilisierungselektrode 16 zugeführt. Diese positive Stabilisierungsspannung hat zur Folge, daß ein Teil der von der Kathode 14 emittierten Elektroden durch die Stabilisierungselektrode 16 gesammelt wird, wodurch der Sntladungsstrom zur Anode 12 der Röntgenröhre verringert wird. Damit wird dieser Strom praktisch konstant gehalten. Die Stabilisierungsspannung auf der Leitung J4 ändert sich zvvischen Null und +50 Volt abhängig von der Helligkeit des Lichtsignals ;58 der Leuchtdiode 216 der Überwachungsschaltung 40. Die Leuchtdiode 216 ist mit ihrer Kathode an Kasse gelegt, während ihre Anode über einen V.ahlschalter 218 in-Reihe mit einem von mehreren V.iderstände 220 unterschiedlichen Wertes schaltbar ist, die wahlweise parallel zu einem Begrenzungsviiderstand 222 geschaltet werden können. Der gemeinsame Anschluß der V.iderstände 220 und des Viderstandes 222 ist mit einem gemeinsamen Anschluß 224 der Kathoden- und Anodenwicklungen 70 und 53 des Kochspannungstransformators 22 verbunden. Die Summe des Kathoden- und des Anodenstroms der Röntgenröhre wird somit über die Leuclit-

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diode 216 und einen ihr parallelgeschalteten Widerstand 226 nach Masse geleitet, so daß "die Diode 216 nur dann Lieht abgibt, wenn der Qesamtstrom einen vorbestimmten Wert von beispielsweise ca» 50 Milliampere Überschreitet» Das Lichtsignal 38 der Diode 216 hat daher eine Helligkeit, die proportional dem Anodenstrom der Röntgenröhre 10 ist»

Der Differenzverstärker 42 der zweiten Stabilisierungsschaltung enthält einen Fototransistor 228 mit npn-Leitfähigkeitstyp, der als Diode geschaltet ist und einen Eingang des Differenzverstärkers 42 bildet·· Der Fototransistor 228 ist so angeordnet, daß er das Lichtsignal 46 der Leuchtdiode 212 der Stabilisierungs-Speiaeschaltung 36 empfängt. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 42 ist mit einer Bezugsspannung am Schleifkontakt 4j5 des Potentiometers 44 verbunden, das mit der Basis eines weiteren npn-Transistors 2JO verbunden ist, der als invertierender Verstärker einen Teil des Differenzverstärkers 42 bildet, Ein zweiter invertierender Verstärkertransistor 232, ähnlich dem Transistor 2,30, bildet den anderen Teil des Differenzverstärkers 42 und ist mit seiner Basis an den Emitter des Fototransistors 228 angeschaltet. Der Emitter des Transistors 232 und seine Basis sind über einen VJ id erstand 234 verbunden. Wenn ein Lichtsignal 46 erzeugt wird, reduziert sich die Emitter-Kollektor-Impedanz des Fototransistors 222, so daß der Strom durch den Widerstand 234 ansteigt. Damit wird eine positive Spannung an der Basis des Transistors 232 erzeugt. Diese erzeugt ein Differenz-Ausgangssignal an den Ausgangsleitungen 48 des Differenzverstärkers 42, wenn sie die Bezugsspannung an der Basis des Transistors 230 übersteigt, wie dies für das Arbeitsprinzip von Differenzverstärkern bekannt ist.

Die Transistoren 230 und 232 sind über Emitterwiäerstänüe 236 und 238 gemeinsam an eine negative Gleichspannung ange-

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schaltet, die am unteren Anschluß eines Brückengleichrichters 24ü erzeugt, wird, welcher an eine Sekundärwicklung 24-2 des Transformators 82 angeschaltet ist". Der positive Ausgang des Brückengleichrichters 240 ist an Lastwiderstände 244 und 246 angeschaltet, die über weitere Lastwiderstände 248 und 250 mit den Kollektoren der Transistoren 2JO und 2^2 verbunden sind. Der Last'widerstand 248 kann variabel sein, um die Aus-

gangsspannungen des Differenzverstärkers anzugleichen, so daß er kein Ausgarigssignal abgibt, wenn nicht ein Lichtsignal auf den Fototransistor 228 einwirkte Die Kollektoren der Transistoren 230 und 2^2 sind mit den Basiselektroden zweiter invertierender Verstärkertränsistoren 252 und 254 verbunden* Diese sind mit ihren Emittern über Zenerdioden 256 und 258 an die positive Gleichspannung angeschaltet* während. ihre Kollektoren über Lastwiderstände 2βθ und 2β2 mit der negativen Gleichspannung verbunden sind, da es sieh hiei? um pnp-Transistören handelt» Zwei dritte invertierende Verstärkertransistoren 264 und 266 sind mit ihren Basiselektroden an die Kollektoren der Transistoren 252 und 254 angeschaltet, während ihre Kollektoren mit den Ausgängen 48 des Differenzverstärkers 42 und mit Lastwiderständen 244 und 246 verbunden sind·

Das bei Einwirkung eines Lichtsignals 46 an den Leitungen 48 erzeugte Ausgangssignal des Differenzverstärkers 42 wird dem Stabilisierer 50 für den Kathodenstrom zugeführt, der eine Impedanz in Reihe mit der gemeinsamen Leitung zweier Primärwicklungen 268 und 270 des Heiztransformators 52 ändert* ähnlich wie durch die US-Patentschriften 2 810 858 und 2 617 O45 bekannt. Die Sekundärwicklungen 272 und 274 des Transformators 5² sind jeweils mit dem Kathodenheizfaden 14 bzw. 20 der Röntgenröhre an einem Anschluß 276 bzw. 278 verbunden. In der dargestellten Schaltstellung des Schalters 54 ändert der Stabilisierer 50 den Heizstrom des Heizfadens

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14 zur Änderung der Elektronenemission dieses Heizfadens, so daß der Elektronen-Entladungsstrom der Anode 12 praktisch konstant gehalten wird«, Viie bereits ausgeführt, arbeitet diese zweite Stabilisierungsschaltung 42, 50, 52 langsamer als die erste StabiIisierungsschaltung 16, Jo, 40 und übernimmt allmählich die Stabilisierungswirkung der ersten Stabilisierungsschaltung. Dadurch ergibt sich ein wirksamerer Betrieb, da d:j.e zweite Stabilisierungsschaltung den gesamten von der Kathode 14 emittierten Elektronenstrom reduziert, während die erste Stabilisierungsschaltung diese Wirkung nicht aufweistο Dadurch wird die Verlustleistung und die Erwärmung der'Stabilisierungselektrode 16 verringert.

Dem Fachmann sind zahlreiche Änderungen in Einzelheiten des vorstehend beschriebenen Au~?uhrungsbeispiels der Erfindung möglich« Beispielsweise können die beiden Heizfäden 14 und 20 der Röntgenröhre ohne eine impuismäßig gesteuerte Steuerelektrode betrieben werden, oder es kann eine zweite Steuerelektrode für den Heizfaden 20 vorgesehen sein, so daß die Anode selektiv mit einem der beiden Heizfäden angesteuert wird. Zusätzlich kann zur Stabilisierung zweier Heizfadenkathoden eine zweite Stabilisierungselektrode hinter dem Heizfaden 20 vorgesehen sein, die ähnlich wie die Stabilisierungselektrode .16 beschaltet ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die Schaltungen 22, 24, J>6 und 52 mit einer Hochspannung zwischen ca, 50 kV und I50 kV arbeiten, so daß sie deshalb zwecks Isolierung in einem ölgefüllten Behälter angeordnet werden können.

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Claims

5 ^s P ^r^ ehe

Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des in einer

Elektronenröhre zwischen einer thermionisehen Kathode und

i
einer Anode durch eine Hochspannung erzeugten Elektronen-EntladungsStroms, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Elektronenstrom an der Anode auswertende Schaltung (40, 36, 38, 34) eine Stabilisierungsspannung an eine in der Elektronenröhre (10) vorgesehene Stabilisierungselektrode (16) liefert^ durch die ein Teil der Elektronen auf die Stabilisierungselektrode (l6) geleitet wird, und daß diese Schaltung (40, 36, 38, 34) ferner die Stabilisierungsspannung entsprechend Elektronenstromänderungen derart ändert, daß der Elektronenstrom an der Anode (12) konstant bleibt.

2, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Stabilisierungsschaltung (212, 42, 46) zur Auswertung des Elektronenstroms an der Stabilisierungselektrode (16) vorgesehen ist, die ein entsprechendes Steuersignal erzeugt und auf eine Stabilisierungsanordnung (50) zur Änderung des Kathodenheizstroms leitet, so daß die Elektronenemission der Kathode (14) entsprechend dem Steuersignal in einer den Anodenstrom konstant haltenden Weise geändert wird.

3, Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stabilisierungsschaltung (212, 42, 46) mit der ersten, eine Stabilisierungsspannung abgebenden Schaltung (40, 36, 38, 34) über eine opto-elektronische Kopplung (46) verbunden ist.

4, Schaltungsanordnung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektronische Kopplung (46) eine

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elektrische Lichtquelle (212) in der ersten Schaltung (36) und einen fotoelektrischen Detektor (228) in der zweiten Schaltung (42) umfaßt und daß die Lichtquelle (212) ein dem Steuersignal entsprechendes Lichtsignal abgibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung (212, 42, 46) einen Vergleicher (42) enthält, dessen einer Eingang mit dem fotoelektrischen Detektor (228) und dessen anderer Eingang mit einer Bezugsgleichspannung (43?) verbunden ist, während sein Ausgang mit der Stabilisierungsanordnung (50) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsanordnung 50 mit der Primärwicklung eines Heiztransformators (52) verbunden ist, der den Heizstrom für die Kathodenanordnung (14, 20) der Elektronenröhre (10) liefert,

7· Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenröhre (10) eine Röntgenröhre ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre (lo) eine fokussierende, schalenartige Steuerelektrode (18) enthält, die mit einer Impulsscnaltung (24, 20) verbunden ist, welche Steuerimpulse einer solchen Spannung liefert, daß die normalerweise gesperrte Kathodenstrahlröhre (10) in den leitenden Zustand übergeführt wird,

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die Stabilisierungsspannung liefernde Schaltung (4o, j56, 38, 34) mit einem Hochspan-

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nungstransformator (22) über eine opto-elektronische Kopplung (216, I8ü) verbunden ist, über die ein Lichtsignal (38) abgegeben wird, das proportional der Stabilisierungsspannung ist, Vielehe von der den Hochspannungstransformator (22) enthaltenden Stromversorgung an die erste Schaltung (4o, 36, 38,.^4) abgegeben wird.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stabilisierungsschaltung (212, 46, 42, 50) ein gegenüber der ersten Schaltung (40, 36, 38, 34) langsameres Ansprechverhalten aufweist und allmählich die. Stabilisierungswirkung des Anodenstroms von dieser übernimmt, wodurch die Stabilisierungsspannung und damit die Erwärmung der Stabilisierungselektrode (16) verringert wird. '

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