DE3929888A1 - Roentgengenerator zum betrieb einer roentgenroehre mit an masse angeschlossenen roehrenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgengenerator zum Betrieb einer Röntgenröhre mit an Masse angeschlossenen Röhren­ teilen und einer Hochspannungstransformatoranordnung mit je einer Sekundärwicklung zur Erzeugung der positiven bzw. negativen Hochspannung für die Anode bzw. die Kathode der Röntgenröhre.

Ein derartiger Röntgengenerator ist aus der EP-B 74 141 bekannt.

Bei Röntgenröhren mit einem an Masse angeschlossenen Röhrenteil, beispielsweise einem Metallkolben, der gege­ benenfalls noch mit einem zwischen Anode und Kathode befindlichen Metallteil verbunden sein kann, fließt der an der Kathode erzeugte Strom nicht vollständig zur Anode; Ein Teil dieses Stromes fließt über das betreffende Röhrenteil nach Masse. Infolgedessen wird die kathodensei­ tige Hochspannungsquelle stärker belastet als die anoden­ seitige Hochspannungsquelle, was bei hochohmigen, symme­ trisch ausgelegten Hochspannungsquellen zu einer Unsymme­ trie zwischen der Hochspannung an der Anode bzw. an der Kathode führt (d.h. die Hochspannung zwischen Anode und Masse ist größer als die Hochspannung zwischen Kathode und Masse).

Diese Unsymmetrie bringt negative Effekte mit sich, die von der Höhe der Spannung zwischen Anode und Kathode abhängen:

• a) Bei großen Röhrenspannungen erreicht die Spannung zwischen Anode und Masse bereits einen Wert von mehr als der Hälfte der maximal zulässigen Röhrenspannung, bevor die Spannung zwischen Anode und Kathode ihren maximal zulässigen Wert erreicht. Um eine hochspan­ nungsmäßige Überlastung der Röntgenröhre zu vermeiden, darf die Röntgenröhre in einem solchen Fall nicht mit der vollen Spannung betrieben werden, für die sie ausgelegt ist.
• b) Bei kleinen Röhrenspannungen kann die Kathodenspannung so niedrig werden, daß der an der Kathode emittierte Strom durch Raumladungseffekte begrenzt wird. Um einen bestimmten Röhrenstrom zu erreichen, muß in diesem Fall der Heizstrom für die Kathode unnötig groß gemacht werden, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Röhre führen kann.

Bei dem bekannten Röntgengenerator werden die Spannungsun­ symmetrie und die dadurch bedingten negativen Effekte dadurch beseitigt, daß ein Hochspannungstransformator mit einer Primärwicklung und drei Sekundärwicklungen mit je einem Gleichrichter vorgesehen ist. Die drei Gleichrich­ terausgänge sind über eine Umschalteinrichtung so mitein­ ander verbunden, daß die anodenseitige Hochspannung wahl­ weise von einem oder zwei Gleichrichtern und die kathoden­ seitige Hochspannung umgekehrt von zwei bzw. einem Gleichrichter erzeugt wird. Der Aufwand für diese Lösung (zusätzlich eine Sekundärwicklung, ein Hochspannungs­ gleichrichter und eine Hochspannungsumschalteinrichtung) ist verhältnismäßig hoch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die unerwünschten Effekte mit geringerem Aufwand zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den beiden Sekundärwicklungen je eine Primärwicklung zugeord­ net ist und daß in Serie zu der Primärwicklung für die Erzeugung der Anodenspannung eine Induktivität mittels einer Schalteinrichtung einschaltbar ist.

Gemäß der Erfindung ist jeder Sekundärwicklung auch eine Primärwicklung zugeordnet, so daß die Spannungen an den Sekundärwicklungen zumindest in einem gewissen Bereich voneinander unabhängig vorgegeben werden können. Geht man davon aus, daß die Primärwicklungen einander entsprechen und ebenso die Sekundärwicklungen, dann liefert der erfin­ dungsgemäße Röntgengenerator an eine "normale" Röntgen­ röhre, d.h. eine Röntgenröhre ohne an Masse angeschlos­ sene Röhrenteile, beispielsweise eine Röntgenröhre mit einem Glaskolben, eine symmetrische Spannungsverteilung, d.h. die Spannung zwischen Anode und Masse ist dem Betrage nach gleich groß wie die Spannung zwischen Kathode und Masse. Bei Anschluß einer Röntgenröhre hingegen, deren Anodenstrom vom Kathodenstrom abweicht, wird mittels der Schalteinrichtung die Induktivität in Serie zu der Primär­ wicklung für die Erzeugung der anodenseitigen Hochspannung geschaltet. Dadurch wird die Spannung an der anodenseiti­ gen Primärwicklung im Vergleich zu der Spannung an der kathodenseitigen Primärspannung verringert, wodurch bei geeigneter Bemessung der Induktivität die Anodenspannung zumindest näherungsweise um den gleichen Betrag reduziert wird wie die Kathodenspannung als Folge des höheren Kathodenstroms.

Es ist aber auch möglich, die Induktivität so zu bemessen, daß die Anodenspannung stärker absinkt als die Kathoden­ spannung, so daß die Kathodenspannung größer ist als die halbe Röhrenspannung - solange die Kathodenspannung die Hälfte der maximalen Röhrenspannung nicht übersteigt. In diesem Fall kann die Raumladung im Bereich der Kathode beseitigt werden, so daß bei vorgegebener Kathodentempera­ tur der Strom durch die Röntgenröhre vergrößert oder bei vorgegebenem Röhrenstrom die Kathodentemperatur abgesenkt und damit die Lebensdauer der Kathode erhöht werden kann.

Grundsätzlich wäre es möglich, für die Erzeugung der Kathodenspannung und der Anodenspannung einen getrennten Transformator vorzusehen und die Zusatzinduktivität in Serie zu der Primärwicklung für den Transformator für die Anodenspannung anzuordnen. Der Aufwand für zwei getrennte Transformatoren ist jedoch noch relativ groß und ebenso der Platzbedarf für die beiden Hochspannungstransformato­ ren. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht daher vor, daß die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen auf einen gemeinsamen Kern gewickelt und so angeordnet sind, daß die Streuinduktivität zwischen den einander zugeordneten Primär- und Sekundärwicklungen wesentlich kleiner ist als die Streuinduktivität zwischen den einander nicht zugeord­ neten Wicklungen.

Wenn mehrere Wicklungen so auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind, daß sie praktisch von dem gleichen Induk­ tionsfluß durchsetzt werden, sind die Spannungen in diesen Wicklungen an sich vorgegeben, so daß eine getrennte Steuerung der Primärwicklung und Sekundärwicklungen für die Anode bzw. die Kathode zunächst nicht möglich er­ scheint. Bei einem Hochspannungstransformator für eine Röntgenröhre müssen jedoch die Primärwicklungen und die die Hochspannung führenden Sekundärwicklungen voneinander isoliert werden, woraus sich ein gewisser Streufluß bzw. eine gewisse Streuinduktiviät zwischen den einander zuge­ ordneten Primär- und Sekundärwicklungen ergibt. Sorgt man nun durch geeignete Anordnung der Wicklungen dafür, daß der Streufluß bzw. die Streuinduktivität zwischen einander nicht zugeordneten Wicklungen (z.B. zwischen der Primär­ wicklung für die Anodenspannung und der Sekundärwicklung für die Kathodenspannung) noch wesentlich größer wird als der Streufluß bzw. die Streuinduktivität zwischen einander zugeordneten Wicklungen, dann verhalten sich die Wicklungspaare innerhalb gewisser Grenzen wie zwei getrennte Hochspannungstransformatoren.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Induktivität aus mehreren in Reihe liegenden Teilindukti­ vitäten besteht und daß eine Umschalteinrichtung mit den Teilinduktivitäten koppelbar ist, derart, daß die Indukti­ vität ganz oder nur teilweise in die Zuleitung zur Primär­ wicklung schaltbar ist. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die in Serie zu der anodenseitigen Primärwicklung geschal­ tete (Teil-)Induktivität den jeweiligen Erfordernissen in Stufen anzupassen: Bei hohen Röhrenspannungen wird eine relativ kleine Teilinduktivität mittels der Umschaltein­ richtung eingeschaltet, die so bemessen ist, daß Anoden- und Kathodenspannung zumindest annähernd dem Betrage nach gleich sind. Bei kleinen Röhrenspannungen hingegen wird eine größere Induktivität wirksam gemacht, so daß die Kathodenspannung größer wird als die Anodenspannung, was bei einem vorgegebenen Röhrenstrom eine Herabsetzung der Kathodentemperatur ermöglicht.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Induk­ tivität als Luftdrossel ausgebildet ist. Grundsätzlich könnte die Induktivität auch durch eine Spule mit ferro­ magnetischem Kern gebildet werden. Da die erforderlichen Induktivitäten aber relativ klein sind, hätte eine solche Spule nur eine oder wenige Windungen, so daß eine genaue Bemessung schwierig wäre. Außerdem würde bei einer solchen Spule wegen der hohen Ströme, die bei einer Röntgenauf­ nahme durch die Primärwicklung fließen können (einige hundert A), Sättigungserscheinungen auftreten. Eine Luft­ drossel, d.h. eine Spule ohne ferromagnetischen Kern, kann demgegenüber eine ausreichende Zahl von Windungen auf­ weisen und zeigt keine Sättigungseffekte.

In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Induktivität auf einen Ringkern gewickelt ist. Eine Luftdrossel könnte an sich besonders einfach auf einen Zylinderkern gewickelt werden. Eine Luftdrossel mit gleichmäßig auf dem Umfang des (nicht ferromagnetischen) Ringkerns verteilten Windungen ist zwar schwieriger zu wickeln, erzeugt jedoch ein kleineres magnetisches Streu­ feld in ihrer Umgebung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Teils eines erfindungs­ gemäßen Röntgengenerators und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen dafür geeigneten Hochspannungstransformator.

In Fig. 1 sind zwei an den Röntgengenerator wahlweise anschließbare Röntgenröhren 1 und 2 vorgesehen. Während bei der Röntgenröhre 2 der Kathodenstrom genauso groß ist wie der Anodenstrom, weil diese Röhre beispielsweise einen Glaskolben aufweist, ist dies bei der Röntgenröhre 1 nicht der Fall. Wie schematisch angedeutet, weist diese Röntgen­ röhre einen geerdeten Metallkolben und ein damit elek­ trisch leitend verbundenes, zwischen Anode und Kathode angeordnetes Mittelteil auf. Bei einer solchen an sich bekannten Röntgenröhre (vergl. dazu EP-OS 74 141) kann ein Teil des Kathodenstroms über den Mittelteil und den Metallkolben nach Erde abfließen, so daß der Kathodenstrom größer ist als der Anodenstrom.

Jeweils eine der beiden Röntgenröhren 1 oder 2, die sich an unterschiedlichen Arbeitsplätzen befinden (in der klinischen Praxis können auch noch mehr Röntgenröhren vor­ gesehen sein), ist mittels einer Hochspannungsumschaltein­ richtung 3 - die mit dem nicht näher dargestellten Arbeitsplatzwähler gekoppelt sein kann - an die im Rönt­ gengenerator erzeugte Hochspannung anschließbar. Die Hochspannung für die Gleichrichter 11 bzw. 12 wird von den Sekundärwicklungen 21 bzw. 22 geliefert, denen jeweils eine Primärwicklung 31 bzw. 32 zugeordnet ist. Die vier genannten Wicklungen sind auf einen gemeinsamen Transfor­ matorkern 4 gewickelt. Anstelle der Sekundärwicklungen 21 bzw. 31 kann auch eine aus mehreren Einzelwicklungen be­ stehende Sekundärwicklungsanordnung treten.

Die Ausgangsspannung der Gleichrichter 11 und 12 wird von Kondensatoren 41 bzw. 42 geglättet und über je einen Dämpfungswiderstand 51 bzw. 52 dem Umschalter 3 zuge­ führt. Die positive bzw. negative Hochspannung, an die eine der Röntgenröhren 1 oder 2 im Betriebszustand ange­ schlossen ist, wird zu Meß- und Regelzwecken von je einem Spannungsteiler 61 bzw. 62 erfaßt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Hochspannungs­ transformator mit dem Kern 4, den beiden Primärwicklungen 31 und 32 und den beiden Sekundärwicklungen 21 und 22. Der Kern 4, ein Schnittbandkern, hat die Form eines rechteck­ förmigen Ringkerns. Zweckmäßigerweise wird ein solcher Kern aus zwei identischen Kernen mit U-Form zusammenge­ setzt, so daß die Wicklungen gefertigt werden können, bevor sie auf je einen Kern aufgebracht werden und bevor die beiden Kerne zusammengesetzt werden. Die Sekundär­ wicklung 21 bzw. 22 umschließt jeweils die ihr zugeordnete Primärwicklung 31 bzw. 32, und die Primärwicklungen 31 und 32 umschließen denselben Schenkel des Kerns 4. Da die Primärwicklungen gleich viele Windungen haben - und ebenso die Sekundärwicklungen - ergibt sich ein bezüglich der Mittellinie 40 symmetrischer Transformatoraufbau.

Bei diesem Aufbau ist die magnetische Kopplung zwischen einander nicht zugeordneten Wicklungen - beispielsweise der Primärwicklung 32 und der Sekundärwicklung 21 wesent­ lich schwächer - und demgemäß die Streuinduktivität bzw. der Streu-Induktionsfluß wesentlich größer - als zwischen den einander zugeordneten Wicklungen, beispielsweise der Primärwicklung 31 und der Sekundärwicklung 21. Ein Verhältnis der genannten Streuinduktivitäten von 6:1 erwies sich schon als ausreichend, um eine unsymmetrische Speisung der Wicklungen zu ermöglichen, ohne daß unzuläs­ sig hohe Ausgleichsströme fließen.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, werden die beiden Primärwick­ lungen 31 und 32 von einer regelbaren Wechselspannungs­ quelle gespeist, beispielsweise mit einem Mittelfrequenz- Reihenresonanz-Wechselrichter mit einer Betriebsfrequenz von z.B. 3-12 kHz. Während jedoch die Primärwicklung 32 für die Erzeugung der Kathodenspannung unmittelbar an den Ausgang der Wechselspannungsquelle 5 angeschlossen ist, ist in einer der Verbindungsleitungen zwischen der Primär­ wicklung 31 und dem Wechselspannungsgenerator eine Induk­ tivität vorgesehen, die aus den in Serie geschalteten Teilinduktivitäten 7, 8 und 9 besteht, denen jeweils ein Schalter 70, 80 und 90 parallelgeschaltet ist. Während die Primär- und Sekundärwicklungen in einem z.B.mit Transfor­ matoröl gefüllten Kessel angeordnet sein müssen, können die Teilinduktivitäten 7, 8 und 9 sowie die Schalter 70, 80 und 90 außerhalb dieses Kessels angeordnet sein.

Der Röntgengenerator wird wie folgt betrieben: Beim Anschluß der Röntgenröhre 2 (in der ausgezogenen Stellung des Hochspannungsumschalters 3) sind alle Schalter 70, 80 und 90 geschlossen, so daß die Induktivität 7, 8, 9 kurz­ geschlossen ist. Die Primärwicklungen 31 und 32 werden mit gleich großen Wechselspannungen gespeist, so daß sich eine symmetrische Spannungsaufteilung an der Röntgenröhre 2 ergibt, d.h., die Anodenspannung ist dem Betrage nach gleich groß wie die Kathodenspannung (jeweils gegenüber Masse bzw. Erde).

Zum Anschluß der Röntgenröhre 1 wird der Hochspannungsum­ schalter 3 in die in Fig. 1 nicht dargestellte Stellung umgeschaltet. Bei hohen Röhrenspannungen wird in diesem Fall nur ein Schalter geöffnet, beispielsweise der Schalter 70, so daß nur die Teilinduktivität 7 in Serie zu der Primärwicklung 31 wirksam ist. Infolgedessen ist die Spannung an der Primärwicklung 31 kleiner als an der Pri­ märwicklung 32, und dementsprechend ist auch die Leerlauf­ spannung (d.h. die Spannung ohne Belastung durch die Rönt­ genröhre 1) kleiner als die Leerlaufspannung am Ausgang des Gleichrichters 12. Infolge des Unterschiedes zwischen Kathoden- und Anodenstrom sinkt die Betriebsspannung an der Kathode jedoch stärker als an der Anode, so daß sich bei geeigneter Bemessung der Teilinduktivität 7 zumindest näherungsweise eine symmetrische Spannungsverteilung an der Röntgenröhre 1 einstellt.

Bei niedrigeren Röhrenspannungen können auch zwei der drei Schalter oder aber alle drei geöffnet sein. Die Spannung an der Primärwicklung 31 nimmt dann soweit ab, daß die Anodenspannung stets kleiner ist als die Kathodenspan­ nung. Der Vorteil dieser unsymmetrischen Betriebsart be­ steht darin, daß bei vorgegebener Spannung zwischen Anode und Kathode der maximal mögliche Emissionsstrom vergrößert bzw. daß bei vorgegebenem Röhrenstrom die Kathodentempera­ tur verringert werden kann, so daß deren Lebensdauer ver­ längert wird.

In diesem Fall müssen also die Schalter 70, 80, 90 in Ab­ hängigkeit von der Spannung an der Röntgenröhre gesteuert werden. Ist hingegen nur ein einziger Schalter vorhanden und nur eine einzige Induktivität, dann erfolgt die Steuerung des Schalters in Abhängigkeit von dem nicht näher dargestellten Arbeitsplatzwähler, der auch den Hoch­ spannungsumschalter 3 betätigt.

Es hat sich gezeigt, daß schon relativ kleine Induktivitä­ ten ausreichen, um bei einer Röntgenröhre vom Typ der Röhre 1 eine symmetrische Spannungsaufteilung zu errei­ chen; so konnte eine maximale Betriebsspannungsunsymmetrie (das ist die Differenz zwischen Anodenspannung und Katho­ denspannung - ohne die Induktivität) von 14 kV mittels einer Induktivität von rund 13 µH nahezu vollständig ausgeglichen werden. Würde man zur Herstellung einer derartigen Spule einen ferromagnetischen Kern vorsehen, dann dürfte diese Spule nur eine oder wenige Windungen aufweisen, so daß eine genaue Herstellung schwierig wäre. Außerdem könnten sich im Kern infolge der sehr großen Ströme, die bei einer Röntgenaufnahme über die Primärwick­ lungen fließen (einige 100A), Sättigungseffekte auftre­ ten. Die Induktivität ist daher als Luftdrossel ausgebil­ det. Die Windungen dieser Luftdrossel sind vorzugsweise auf einen nicht ferromagnetischen Ringkern - gleichmäßig verteilt - gewickelt, so daß sich in der Umgebung der Luftdrossel nur geringe magnetische Streufelder ergeben.

Claims (5)

1. Röntgengenerator zum Betrieb einer Röntgenröhre (1) mit an Masse angeschlossenen Röhrenteilen und einer Hochspan­ nungstransformatoranordnung (4) mit je einer Sekundär­ wicklungsanordnung (21, 31) zur Erzeugung der positiven bzw. negativen Hochspannung für die Anode bzw. die Kathode der Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Sekundärwicklungs­ anordnungen (21, 22) je eine Primärwicklung (31, 32) zuge­ ordnet ist und daß in Serie zu der Primärwicklung (31) für die Erzeugung der Anodenspannung eine Induktivität (7, 8, 9) mittels einer Schalteinrichtung (70, 80, 90) einschaltbar ist.

2. Röntgengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen (31, 32) und die Sekundärwicklungsanordnung (21, 22) auf einen gemeinsamen Kern (4) gewickelt und so angeordnet sind, daß die Streuinduktivität zwischen den einander zugeordneten Primär- und Sekundärwicklungen (z.B. 31, 21) wesentlich kleiner ist als die Streuinduktivität zwischen den einander nicht zugeordneten Wicklungen (z.B. 31, 22).

3. Röntgengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität aus mehreren in Reihe liegenden Teilinduktivitäten (7, 8, 9) besteht und daß eine Umschalteinrichtung (70, 80, 90) mit den Teilinduk­ tivitäten koppelbar ist, derart, daß die Induktivität ganz oder nur teilweise in die Zuleitung zur Primärwicklung (31) schaltbar ist.

4. Röntgengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (7, 8, 9) als Luftdrossel ausgebildet ist.

5. Röntgengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (7, 8, 9) auf einen Ringkern gewickelt ist.