DE2448754A1 - Heizstromversorgung fuer eine hochspannungsbetriebene elektronenroehre - Google Patents

Description

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DipL-fr.q. !^^:-nch Hartmann

ι'. ■: ux:cjszor
."."I..,.;: '^,γ. Philips' GIoeilamponfabriekeD

Akta: PHN- 7179
Anmeldung vomi ^ 11 · Okt. 1974

Hex ζ s tromve rsorgung für eine hochspannungsbetrxebene Elektronenröhf-e

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer liochspannungsbetriebenen Elektronenröhre, insbesondere mit einer Röntgenröhre und Mitteln zum Versorgen und Einstellen der Heizstromversorgung einer derartigen Röhre als Funktion einer Steuerspannung.

Der Nachteil bei einer derartigen Anordnung ist, dass man verschiedene Betriebsbedingungen, wie die Röhrenspannung (die die Härte der erzeugten Röntgenstrahlung bestimmt) bzw. den Röhrenstrom(der die Intensität dieser

Strahlung bestimmt)_r bestimmen können möchte - voraussagbar einstellen können möchte -in den Augenblicken, in denen die

¹ «

Röhre ausser Betrieb ist. Insbesondere beim Anfertigen von

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Röntgenaufnahmen darf der Patient nicht unnötig der Röntgenstrahlung ausgesetzt werden, während auch die Röhre nicht unnötig Energie verbrauchen soll, was unnötigen Verlust und Einbrennen der Anode mit sich bringen könnte; man arbeitet deshalb mit kürzeren Belichtungszeiten, während welcher die Röhre im Betrieb ist, während die Belichtung wieder durch Ausschalten der Röhre beendet wird, insbesondere indem die Spannung an der Röhre abgeschaltet oder so weit herabgesetzt wird, dass nahezu kein Röhrenstrom, mehr fliesst.

Wenn jedoch die Röhre kein Strom mehr durcli-

fliesst, bildet· es ein Problem, den Röhrenstrom z.B. durch Vergleichen mit einem gewünschten Einstellstrom auf einem gewünschten Wert festzusetzen. Die Erfindung gibt jetzt Mittel an, um in diesem Zeitraui) in dem die Röhre kein Strom durchfliesst, doch eine derartige. Heizstromeinstellung zu bewirken, dass direkt beim Einschailten der vollen Betriebsspannung an der Röhre der gewünschte voraussagbare Röhrenstrom fliesst. Die Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass sie

- Mittel (l-,) zum Umwandeln der Steuerspannung (V„.) in eine . Komponente (a.. Vp. + b ) enthält, die von V linear abhängig ist,

- Mittel (ip) ^zum Umwandeln der Röhrenspannung (V-) in eine . Komponente (a„ log V„ +^₂) enthält, die linear abhängig ist vom Logarithmus der Röhrenspannung,

- Mittel (l~) zur Bildung einer Komponente enthält, die dem . Produkt der Abweichung von der S teuer spannung (Vp«) J-ⁿ bezug auf einen' bestimmten Wert und dem des Logarithmus der

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Röhrenspannung in bezug auf einen bestimmten liert proportional ist, und-
- Mittel -(21 ) zum Summieren dieser Komponenten zur Lieferung

eines Zielwertes (Sollwert I „a ) für die Heizstromsoll ^Versorgung der Röhre enthält.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: ' '

Fig. 1 ein allgemeines Prinzipschaltbild, ' Fig. 2 Kennlinien des Heizstromes als Funktion des gewünschten Röhrenstromes, . . ·

Figuren 3, k_t 5 t 6 ^und 8 Teilschaltungen der in Fig. 1 dargestellten Blöcke,

Figuren 7 und 9 Spannungszeitdiagramme von Signalen zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In Fig. 1 ist mit k die Kathode und mit a die

Anode einer Elektrodenröhre, insbesondere einer Röntgenröhre, bezeichnet, deren Betriebsbedingungen auf voraussagbare Weise in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal V_R. eingestellt werden müssen. Dieses Steuersignal kann von Hand einstellbar sein, kann aber auch durch weitere in. der hiermit ,

niederländischen

zusammenhängenden/Anmeldung 73 W 037 beschriebene Mittel ■ erhalten sein, die auf die einzustellende Belichtungszeit» Härte und Intensität ansprechen, denen das zu bestrahlende Objekt, in diesem Falle der Patient, ausgesetzt werden muss. Die Steuerung des Ganzen erfolgt über ein externes Steuersignal Dieses als V bezeichnete Steuersignal ist eine bestimmte Funktion des Röhrenstromes i , und zwar nach de^Formel -

= C₁ lffigi — c„j V_n. in Volt und i in mA ausgedrückt,

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ff )

i t 1

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beträgt c Ä?8 und c_^20. Die Regelbereiche sind z.B. wie folgt: - 10 V^ ^VpA^ ⁺¹9 ^{V und 20 mA}'4 ^Ja 4> ⁶>3 ^A* ^Beim Durchleuchten sind die Röhrenströme um einen Faktor 100 geringer, bei dan entsprechenden V_n.-Werten.

XUL

Die Röhrenheizstromkennlinie einer Röntgenröhre weist einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen dem

Heizstrom X₁ und dem Logarithmus des Röhrenstromes i mit ι a

der Röhrenspannung als Parameter auf. Verfügt man über ein • Regelsignal, dass dem Logarithmus des Röhrenstromes proportional ist, kann man in einem Funktionsgenerator eine Spannung erzeugen, die den Heizstrom i„ für den gewünschten Röhrenstrom i ergibt.

Im Diagramm nach Fig. 2 sind eine Anzahl Kurven (a, b und c) dargestellt, die die Funktion i„ = f(lqg\-i ) darstellen.

Ausgangspunkt bei der technischen Verwirklichung dieses Funktionsgenerators ist die Kurve a. Diese Kurve wird in eine Anzahl Abschnitte geteilt und darauf linear behandelt, Jeder Abschnitt erfordert somit eine getrennte Einstellung. Die gefundene Kurve ist nur bei einer festen Röhrenspannung einwandfrei (vorläufig ist 80 kV gewählt worden).

Bei höherer bzw. niedrigerer Röhrenspannung V₁₃

wird man für gleiche Röhrenströme weniger bzw. mehr Heizstrom liefern müssen.

Die Korrekturgrösse, die man in die Kurve a

einführen muss, ist jedoch auch noch vom Röhrenstrom abhängig, Bei niedrigen Röhrenströmen wird man als Funktion der Rührenspannung weniger als bei hohen Röhrenströmen zu korrigieren

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brauchen.

Zunächst wird jetzt eine Korrektur ^If₁ an der

Kurve a bei einem festen V.-Wert für die Röhrenspannungen 50 kV (Kurve a¹) und 125 kV (Kurve a¹¹) eingestellt.

Diese Kurven liegen parallel z.ur ursprünglichen Kurve a. Um die gewünschten Kurven b und c zu verwirklichen, wird darauf noch eine Bearbeitung durchgeführt, die einen dritten Koeffizienten & If ergibt, wodurch sich die gestrichelten Kurven a¹ und a'· um die Punkte P und Q zu den Kurven b und c drehen.

Dieser Korrekturkoeffizient wird durch einen

Vervielfacher geliefert, insbesondere durch einen Vierquadrant■ vervielfacher, der eine Spannung liefert, die vom Logarithmus der Röhrenspannung V_ linear abhängt.

Die Korrektur AIf₂ ^ist gleich Null für

„„ = V„_A„ und/oder für T^ = 80 kV (Kurve a). Für andere RA RAO ' ■ B ^x

Werte ist das Vorzeichen von &If„ direkt aus der Figur ablesbar.

Der Heizstromtransformator T für die Kathode k ist mit einem Mittelabgriff an der Primärseite ausgeführt. Über die Schalttransistoren T₁ und Tp wird über die Hälfte der Primärwicklung die Gleichspannung V geschaltet. Die dazu der Basis der Transistoren zugeführten Impulszüge sind um 180° in der Phase verschoben. Durch Variieren der Breite der. Impulse kann man den Effektivwert des Heizstromes regeln.

Die Impulsbreite wird in einer Schaltung

bestimmt (Block III), wobei am Eingang der Soll- und der Ist-Wert des Heizstromes i_f. verglichen werden.

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Die Impulsbreite wird bei normalem Betrieb

soweit nachgesteuert, dass die Differenzspannung am Eingang . des Blockes III nahezu 0 Volt ist.

Der. I ,,„-Sollwert wird in einem Funktionse±i

generator (Block i) erzeugt, der beim gegebenen Gleichspannungseingangssignal V_RA den entsprechenden I_ef._f-Sollwert wählt. .

Im Block II wird der I₆^-Is twert aus dem gemessenen Signal am Widerstand R im primären Heizstromkreis bestimmt.

Bei einem gegebenen Wert der Steuerspannung V muss der Röhrenstrom 1 nach der Formel V_ÜA = C₁ log i - c festgelegt werden.

Der Blook I besteht aus der Teilschaltung nach Fig. 3· Das externe Steuersignal V . wird einerseits der

XCA

linearen Stufe I₁, die V in I = a V + b. umwandelt, und andererseits eine Vervielfachungsstufe I_ zugeführt, in der V_R. mit log V_ nach der Vierquadrantenvervielfachung ^Δΐί2 ^{= a}3^^VRA ~ ^VRAO^ ^x (^{log V}B " ^b3^ vervielfacht wird, während aus der Röhrenspannung V_. ein Signal proportional log V_B hergeleitet ist, das ausser der erwähnten Stufe I«, der linearen Stufe I„ zugeführt wird, die einen Strom ^If.. = a^'log V, + bp liefert. In der Summier stufe <Ξ werden die erzeugten drei Ströme 1^.Q, &If< und i^I^p addiert, so dass das entgültige erzeugte Signal I _„ den gewünschten Λ FunktionsZusammenhang mit V„. aufweist. Es ist dabei zu ,erwarten, dass der während der Aufnahme (also.wenn die Röhrenspannung V_ß eingeschaltet ist) fliessende Röhrenstrom i_& dann

, ' 109816/0349

gerade die Gleichung V_RA = C₁ log ±_a - c., _{folgt# Würde in} ¥irklichkeit doch eine Abweichung von dieser Gleichung auf- · treten, so kann sie wie folgt korrigiert werden:

Durch Messung des Röhrenstromes i (in der externen Einheit A), durch Umwandeln in einen V-.'-Wert

nach V_n' = ο_Λ log i - c_o und durch Zuführen an einen RA. 1 a <£

Differenzverstärker im Block IV wird ein Strom A¹^o ^er~ halten, der im gegenkoppelnden Sinne der Summierstufe2i des Blockes I zugeführt wird. Der Block IV enthält dabei weiter einen (elektronischen) Schalter, der den Strom i\T_f~ nur an die Summierstufe i. weiterleitet, wenn die Röhrenspannung Vg auf voller Stärke eingeschaltet ist. '

Für die Einheit A kann die Schaltung nach Fig. h \ dienen. Sie basiert auf der Eigenschaft von Transistoren (und Dioden), dass der Logarithmus des Stromes der' Basisemitter spannung der Formel

proportional ist. Der ankommende Strom i gelangt an einen Operationsverstärker 1, dessen Ausgang mit der Basis eines ersten Transistors 2 verbunden ist. Dieser Transistor ist mit einem Transistor 3 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung ist zwischen .der Zuführungsklemme für einen Strom i und der Zuführungsklemme für einen Bezugsstrom i angeordnet, der dem Eingang eines Operationsverstärkers k zugeführt wird. Der Ausgang dieses Verstärkers führt zu den miteinander verbundenen Emittern der Transistoren 2 und 3, wodurch eine Gegenkopplungsstrecke gebildet wird, die dafür sorgt, dass

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Strom i nahezu. C^-eich dem Sta^om i und der¹ Strom j ,. 1 a r.

nahezu gleicli dem Strom j ist. Für die· Spannung C₁ = U, ,, -■ TJ gilt dabei,

IcT _Ί ^Χί\
e ₁ = In -—

^{1 f}l ^x _a.

so dass durch die geeignete Wahl von i __ der erforderliche Vcri für e eingestellt werden kann.

Der Block II in Fig. 1 kann als D.i gitalana I og~ wandler überlicher Form ausgeführt sein. Er liefert ein Gleichspannungssignal I -Ist, dessen Wert dem Ef f ektivi«; i't

C/ J. X

der Stromimpul.se durch den Vidcrstaiid. R entspricht.

Der Differenzverstärker III gibt eine Gleichspannung ab, die ein Mass für den Unterschied zwischen dem angebotenen If ..-Wert und dem vom Messystern gegebenen

SO J.X

If. .-Wert ist.
ist

Diese Gleichspannung wird einem an Hand dor

Fig. 6 beschriebenen Iinpulsbreitemnodulator zugeführt. An den Ausgang dieser Schaltung, werden dabei zwei Iinpulszüge mit fester Frequenz von z.B. 200 Hz gelegt, die in bezug aufeinander um 18O° in der Phase verschoben sind (Fig. 9)·

Die Breite des Impulses ist von der dem Impulsmodulator angebotenen Gleichspannung abhängig.

Die erwähnten Imptilszüge steuern die Schalttransistoren T und Tp im Primärkreis des Heizstromtransformators.

In diesem Kreis wird der Effektivwert des Heizstromes wiederum gemessen, so dass der !Regelkreis gesehlosfct n ist. Beim Einschalten eines' Vorbereitungsbefehls \v\ix~d der Regelkreis erst nach einer gewissen Zeit geschlossen,,

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Dadurch sol L erreich! werden, dass die Endstufe zunächst voll Lg ausgesteuert werden kann, wodurch der HeIz-.Piidon üvr Rüutgem-öhre schneller die erwünschte Temperatur err ei ch t. (Bons ting) .

Das Regelsystem spriclit nämlich nur auf den

D ffokt i.vwert des Ileizstx'omos und nicht auf die Temperatur der !Cathode an.

Deis Pr j nzipachal tb L Ld dieser Schaltung- ist

in Fi(I. i) dargestellt. DLe Zeit, in der der Regelkreis nach dom Vorbereitungsbefoh L noch nicht geschlossen ist, wird in der Boost-Schaltung bestimmt.

In der Ruhelage sind die Relais S und S

abgefallen. Dem Komparator K werden 2 Spannungen zugeführt. Die Spannung am Eingang 1 1st gleich -I . Am Eingang 2 liegt In der Ruhelage -I. oder V„. V„ ist eine Spannung,

ist _) j

die dem Vorheizstrom der Fokusse entspricht.

Wird immer mit kleinem Fokus durchleuchtet und schaltet man von Durchleuchtung auf Aufnahme mit grossem Fokus um, ist If. beim Vorbereitungsbefehl gleich dem

ist

Heizstrom, der den kleinen Fokus versorgt. Dieser Wert darf dann jedoch nicht dem Komparatoreingang angeboten werden.

Man muss eine Spannung anbieten, die dem Heizstrom entspricht, der beim Vorbercitungsbefehl den Aufnahmefokus (=V„)- durchmesst.

Beim Durchleuchten, und bei der Aufnahme mit

gleichem Fokus ist das Relais S nicht erregt. Dabei 1st aber If. auch der Heizstrom, der beim Vorbereitungsbefehl den Aufnahmefokus durchfliesst.

BAD ORIGINAL

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Sobald das Vo rberei ton. anläuft, wird dor If.

Wert im Kondensator C festgehalten (Kontakt a öffnet sich). Gleichzeitig· startet auch der Integrator über el Le Kontakte b und c, wodurch der Eingang 2 des Komparators eine linear ansteigende Spannung führt.

Sobald diese Spannung die Spannung "If " überschreitet, kippt der Komparator K um, das Relais S, zieht an und der Kegelkreis wird geschlossen.

Die Boost-Zeit ist somit abhängig:

a) vom Heizstrom, der beim Vorboreiten-Start den Aufnahmofoku.s durchfloss (Vorgeschichte),

b) vom Heizstrom, der bei Aufnahme gewünscht wird. Solange Relais S„ nach dem Vorbereitungsbefehl noch nicht geschlossen ist, wird dem Eingang des Begrenzers L die Spannung V angeboten. Hierdurch wird vom Modulator ein Impulszug mit maximaler Impulsbreite abgegeben, wodurch der Heizstrom auf maximalen Wert gebracht wird,

> Der Begrenzer hat die Aufgabe, die Ausgangs-

spannung zum Modulator auf einen Vert ^ V. zu begrenzen. Dan it soll verhindert werden, dass der Modulator Impulszüge abgibt, bei denen die Impulsbreite den Wert von 2 ms überschreiten würde. Durch Variieren von V kann man sogar auf Impulsbreiten ^ 2 ms begrenzen. V. ist somit eine Einstellung, die es ermöglicht, die maximale Impulsbx'eite und damit den maximalen Heizstrom zu wählen.

Die Schaltung der Impulsbreite ist in Fig. 6

wiedergegeben. In dieser Schaltung wird in einer Kornparatoischaltung die aus dem Differenzverstärker herrührende Gleich-

5098 16/0349 .,„ >

span nun,"; V mit einer impuJ sförm.i gen Spannung mit fester Frequenz und Form verglichen (V„).

Der Eingang 1 des !Comparators fülirt eine

exponenlielle Spannung (Fig. ?)i tue mit einer festen Frequenz von z. .B. ^l 00 Hz zurückgestellt wird.

Die Impulsbrei te L ist von der Gi-össe der

Spannung V gemäss der Formel '

■ V- X = RC In ²

V-V ^V2 ^V1

abhängig. Der Effektivwert des Heizstromes ist annäliernd al Yf·

i on

dr ^d ^e ff

eί'Γ · r 1 . Bei kleinen Impulsbreiten ist ■ am

^r ^ij rt τ ■

d "

gröi-stc.']). Im Inipulsbreitemnodulator ist ——rj— minimal bei kleinen Impulsbreiten.

Der RC-Generator ist derart ausgelegt, dass die dynamische Übertragungsfunktion zwischen V₁ und I „_ für jeden I „„. annäliernd konstant ist.

Dies weist, den Vorteil auf, dass in der

Schal lung des ßcgelkreises mit nur einem ¥ert dei- Ubez^tragungs funktion I „ = f(\^r ) gerechnet zu werden braucht.

Hinter dein Komparator wird der¹ Impuls in einen für LogikschnltTingen geeigneten Pegel umgewandelt.

J)er 400 Hz Impuls aus dem Impulsbreitendemodulal-oi-" wi i'd der Schaltung nach Fig. 8 zugeführt.

Eine Leitung führt einen symmetrischen 200 Hz

Kechteckimpu]s, der mit dem ^00 Hz Impulszug auf der anderen Leitung phasengleich ist (Fig. 9).

Da die Umkehrstufe an einem der Eingänge des NAND-Gatter.s 11 das 200 Hz Eingangssignal umkehrt, wird also

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der Ausgangsiinpuls pt in bezug auf den Ausgangs:! injjuls p„, um 18O° in der Phase verschoben sein. Die Iinpulszüge p„ und p, werden jetzt deal Schalttransistoren T^ U3id T₂ des Priuiärlcreises des Heizstromtransfonnators

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Claims (2)

1. PiIN. ? \79 deen/vr/veen 7.10. 197-^;l·

   ( 1.J Anordnung· mit einer hochsjjannungsbetriebenen

   IJ Lektroiienröhre, insbesondere mit einer Röntgenröhre und Mitteln zum Versorgen und Einstellen der Heizstromversorgimg einer· derartigen Röhre als Funktion einer Steuerspannung, dadurch gekennzeichnet, dass

   - Mittel (I₁) zum Umwandeln der Steuerspannung ("^w Δ ^ "*"^{n e}^-^ne Komponente (a V + Ij₁), die von V^. linear abhängig ist,

   - Mittel (iy) zum Umwandeln der· Röhrenspannung (V ) in eine Komi3onente (a„ log V_ß + b„), die vom Logarithmus der Röhrenspannung.linear abhängig ist,

   - Mittel (x ) zur Bildung einer Komponente, die dem Produkt der Abweichung \^ron der Steuerspannung (V ) in bezug auf einen bestimmten Wert und dem des Logarithmus der Röhrenspannung in bezug auf einen bestimmten Wert proportional ist und

   - Mittel (^ ) zum Summieren dieser Komponenten zur Lieferung eines Sollwertes (i soll) für die Heizstromversorgung der Röhre vorgesehen sind.
2. 2. Anozxlnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (a) zum Umsetzen des während des Betriebs auftretenden Röhrenstromes i in eine vom Logarithmus dieses

   Röhrenstromes linear abhängige Spannung (V ·) vorgesehen sind

   JtCn.

   die nach Vergleich mit der Steuerspannung (v.) eine weitere Korrekturkomponente (/^If ) des Sollwertes erzeugena. 3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

   gekennzeichnet, dass der Sollwert (i „„ soll) -und eine dem faktisch auftretenden Heizstrom' (i „„Ist) proportionale Spannung einem Komparator zugeführt werden, dessen Ausgang einen Iinpulsbreitemodulator steuert, der dem Heizfaden der

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   Röhre breitenmodul.i. er te Stromiinpulse zuführt.

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