DE2915548A1

DE2915548A1 - Praediktionsanordnung fuer die heizstromversorgung einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE2915548A1
Application number: DE19792915548
Authority: DE
Inventors: Kenneth Frederick Lickel; Roger Stonebank
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1979-04-18
Publication date: 1979-10-25
Also published as: JPS638598B2; GB2021810B; JPS54158893A; IT7921884A0; IT1120109B; CA1122330A; BE875641A; GB2021810A; FR2423950B1; FR2423950A1

Description

N.V. Philip«¹ Γ.ί;;,.^:>.,-;;.-:. '...... h&cm

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"Prädiks,tionsanordnung für die Heizstromversorgung einer Röntgenröhre"

Die Erfindung betrifft elektrische Schaltkreise für Rbntgenstrahlungsgeneratoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Anordnungen für die Bestimmung des Heizstroms in Röntgenröhren.

' ' BEREICH DER ERFINDUNG

Stromversorgungsschaltungen für Röntgenröhren sind im allgemeinen mit Reglern zum unabhängigen Voreinstellen des Anoden-Kilovoltwerts und des Anodenstroms vor dem Röhrenbetrieb ausgerüstet. Anodenstromfluss wird im allgemeinen durch die Voreinstellung des Heizstroms auf einen vorgegebenen Wert eingestellt, der bekanntlich den erforderlichen Anodenstromfluss bei einem ausgewählten Anodenkilovoltwert ergibt. Beim Anlegen Anoden-Kilovoltspannung kann zum Regeln des vom Anodenstrom ausgelösten Heizstroms ein Rückkopplungsregler verwendet werden. Derartige Rückkopplungsregler sind jedoch im allgemeinen durch die thermischen Zeitkonstanten der Heizfadenstruktur der Röntgeni-öhre begrenzt und gewährleistet hierdurch keine entsprechende Regelung im Zeitraum, der dem Anlegen der Anodenspannung an die Röhre direkt folgt.

Röntgengeneratoren der eingangs erwähnten Art enthalten Schaltkreise zum Voreinstellen des Röntgenröhren-Heizstroms auf einen Wert, der durch eine vorangehende Messung bestimmt wurde, um den-voreingestellten Anodenstrom-

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fluss bei der voreingestellten Anodenspannung zu liefern. Diese eingangs erwähnten Generatoren enthalten eine Vielzahl von Kalibrierreglern. In der ersten Entwicklungsstufe des Generators wurde ein einzelner Regler zur Erzeugung des erforderlichen Heizstroms für eine jede einer Vielzahl einzelner Kombinationen von voreingestelltem Anodenstrom und Anoden-Kilovoltwert angeordnet. Periodische Nachstellungen dieser Regler sind nötig wegen Aelderung oder beim Ersetzen der Röntgenröhren.

Viele neuzeitliche Röntgenanlagen sind mit Röntgen-Verbundröhren versehen, die von einem gemeinsamen Speiseteil selektiv mit Strom versorgt wird. Röntgenanlagen, die in dieser Betriebsart betrieben werden, erfordern einen einzelnen Reglersatz für die Heizstromeinstellung bei jeder benutzten Röntgenröhre.

Anordnungen und Verfahren der eingangs erwähnten Art, mit denen die Errechnung des Heizstroms als eine mathematische Funktion der Anodenspannung, des voreingestellten Anodenstroms und der Betriebszeit versucht wurde, sind zum Beispiel aus der US-PS 3 983 396 bekannt, die als Referenz in diese Beschreibung aufgenommen ist. Jedoch scheiterten diese Anordnungen an der Voraussage des Heizstroms mit entsprechender Genauigkeit und Stabilität. DAR-STELLUNG DER ERFINDUNG Erfindungsgemässe Röntgengeneratoren enthalten einen Schaltkreis, der den Heizstrom der Röntgenröhre voraussagt und ihn steuert als eine Funktion der voreingestellten Kilovolt- und Anodenstromwerte im Zeitraum, auf der das Einschalten der Rückkopplungsstromregelanordnung folgt und der die Stabilisierung dieser Regelanordnung vorangeht. Der Heizstrom wird auf der Basis einer dreigliedrigen Gleichung berechnet:

= s(u+kl^ + — S ) (1)

cl^y + KV + ζ
^a

worin das elaste Glied u vom Austrittspotential der Katliode der Röntgenröhre abhängt, das zweite Glied

kl" '(2).

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stellt die Röhrenemissions-Kennlinie bei Abwesenheit von Raumladungs effekt en dar (d.h.. bei der Annahme, dass Emission keine Funktion von Anodenspannung ist), und das dritte Glied

— (3)

cl^y + KV + ζ
a

steht für Raumladungseffekte in der Röhre. In der Praxis wurde festgestellt, dass die meisten Röntgenröhren-Emissionskennlinien durch die Gleichung (i) genau gekennzeichnet werden können, in der die Konstanten u, w, x, y und ζ im wesentlichen gleich 1,38; O,16 1,5 -O,667 bzw. -2,4 sind. Es müssen nur zwei einzelne Kalibriermessungen und Kalibriereinstellungen für jede einzelne Röntgenröhre durchgeführt werden. Der ¥ert von.k, der die Röhre bei Abwesenheit von Raumladungseffekten charakterisiert, wird gemessen und auf einen einzigen Wert der hohen Kilovoltage und des niedrigen Stroms eingestellt und der Yert von c, der die Raumladungseffekte in der Röhre charakterisiert, wird gemessen und auf einen einzigen Wert mit niedriger Kilovoltage und hohem Strom eingestellt. Wenn es, wie es normalerweise der Fall ist, Mehrfach-Heizfäden in jeder Röntgenröhre gibt, sind selbstverständlich für jeden Heizfaden gesonderte Kalibrierungen durchzuführen. Ein typischer Röntgengenerator, der zum Beispieltdrei Röntgenröhten mit je zwei Heizfäden mit Strom versorgt, erfordert also nur zwölf einzelne Kalibriereinstellungen im Gegensatz zu mehreren Hundert Einstellungen, die in einem Röntgengenerator der eingangs erwähnten Art und vom gleichen Typ erforderlich wären.

BESCHREIBUNG DER AUSFUERUNGSBEISPIELE

Die bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Röntgengenerators mit einem Prädikationsanordnung nach der Erfindung , und

Fig. 2 ein Schema eines Prädiktors nach der Erfindung.

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In Fig. 1 ist ein Röntgengenerator nach, der Erfindung dargestellt. Obgleich ein typischer Röntgengenerator an drei einzelne Röntgenröhren mit je zwei Heizfäden zur Stromversorgung angeschlossen werden kann, enthält die Ausfuhrungsform nach Fig. 1 für eine bessere Veranschaulichung nur zwei Röntgenröhren 10 und 11 mit je einem einzigen Heizfaden.·Die Erweiterung der hier veranschaulichten Prinzipien zu einer grösseren Anzahl von Röntgenröhren und Heizfäden bildet für den Fachmann keine Schwierigkeit. Die Anoden der Röntgenröhren sind in herkömmlicher Ausführung mit einer Hochspannungsversorgung 12 verbunden, die zum Schalten der Hochspannung zwischen den Anoden der Röhren 10 und 11 beim Empfang eines Signals aus einem Röhrenwähler 13 Mittel enthält. Die Heizfäden der Röntgenröhren 10 und 11 sind mit einem Heizstromregler 14 verbunden, der beispielsweise gleich dem Heizstromregler nach der erwähnten US-PS 3 983 386 oder gleich ähnlichen Anordnungen der eingangs erwähnten Art sein. Der Heizstromregler erhält elektrische Signale aus einem Rückkopplungs-Stromregler I5 und einem Heizstromprädiktor 16 sowie aus dem Röhrenwähler 13 und stellt den Heizstrom in der Röntgenröhre beim Empfang dieses Stroms. Einstellmittel 17 und 18, die zum Beispiel Wählschalter sein können, sind auf einem Bedienpult angeordnet, wobei sie zum Voreinstellen des Anoden-Kilovoltwerts bzw. des Anodenstroms vor dem Betrieb einer Röntgenröhre benutzt werden können. Der Röhrenwähler I3 insbesondere wird auch in das Bedienpult aufgenommen, um Vorwahl einer speziellen Röntgenröhre für eine gegebene Belichtung zu ermöglichen.

Der Anoden-Kilovoltregler 17 erzeugt ein Signal KV zur Hochspannungsversorgung 12, das die Anodenspannung auf herkömmliche Weise variiert. Der Änodenstromregler 18 erzeugt gleichfalls ein herkömmliches Signal Ia zum Rückkoppiungsstromregler I5. Der Rückkopplungsstromregier ist bekannt tuid enthält Mittel zum Abtasten des Anodenstromflusses durch die Röntgenröhre,: zum Beispiel in der Hochspannungsversorgung 12, und zum. Einstellen des Heizstroms über den Heizstromregler -1.4 für die Stabilisation des

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Röhrenanodenstroms. Die Zeitkonstante des Rückkopplungsstromreglers 15» die im wesentlichen durch die thermische Trägheit der Röntgenröhren-Heizfadenstruktur bestimmt wird, verhindert eine wirksame Regelung des Röhrenstroms durch diesen Schaltkreis in den ersten Zeitraum (etwa 20 ms) nach dem Anlegen von Anodenspannung. In diesen ersten 20 ms wird der Heizstrom durch einen Prädiktor 16 bestimmt, der aufgrund analoger Signale KV und Ia aus den Reglern 17 bzw. 18 einen entsprechenden Heizstromwert zum Regeln des Anodenstroms in der im Betrieb befindlichen Röntgenröhre berechnet und voraussagt.

Es wurde festgestellt, dass der Heizstrom, der zum Erzeugen eines bekannten Anodenstromfluesses (l ) bei einer bekannten Anodenspannung (KV) für eine Vielzahl von Röntgenröhren erforderlich ist, auf -wirksame Weise durch einen analogen Computer vorausgesagt werden kann, der den ¥ert einer Heizstromregelspannung I„ aus folgender Gleichung berechnet:

X_f = s(1,38 ₊ kl_a°'¹⁶ ₊ ) (4)

^f ^a l -°>^bb< KV 24

_f (, _a

^f ^a el -°>^bb< +KV- 2,4

el·

Das erste Glied der Gleichung (4) ist abhängig vom Austrittspotentials der Kathode der Röntgenröhre. In einer besonderen Röntgenröhre, Modell SRO 3I/IOO, in der Herstellung von Philips Medizinischen Systemen Inc., Shelton Connecticut, wurde ein Heizstrom von etwa 0,33 Amp. zum Einsetzen der Emission erfordert.

Das zweite Glied bestimmt die Röhrenemissions-Kennlinie unter der Annahme, dass es keine Raumladungseffekte in der Röntgenröhre gibt, d.h. dass Emission keine Funktion der Anodenspannung ist.

Das dritte Glied stellt die Raumladungseffekte in der Röntgenröhre dar.

Die Konstante s ist ein Massstabfaktor, der

die Uebertragungsfunktion des Heizstromreglers 14 darstellt. in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konstante s gleich 2 Amp. des Heizstroms per Eingangs-Volt aus dem Heizstromprädiktor 16.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform

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des Heizstromprädiktors 16 dargestellt. Der Röhrenwähler 13 (Fig. 1) führt abwechselnd den Eingängen 20 oder 21 logische Pegel zu, um die betreffende, im Betrieb befindliche Röntgenröhre anzugeben (1O oder 11 in Fig. 1). Die Signale an den Eingängen 20 und 21 gelangen an die logischen Eingänge analoger Schalter 22 und Z2> bzw. 24 und 2.^ zum Anschliessen von Potentiometern R. und R_n bzw. R_, und R_., auf nachstehend

A ΰ Ο JJ

zu beschreibende Weise voreingestellt werden, um die Werte der Konstanten c und k für jede einzelne Röntgenröhre zu programmieren.

Der Verstärker A1 wird über Widerstände R34 mit einer 9 Volt Referenzspannung V „ verbunden und wird vom Rückkopplungswiderstand 33 und den Eingangswiderständen R34 zum Erzeugen eines -2,4 Volt Referenzpegels an seinem Ausgang programmiert. Der Verstärker A2 wird auf gleiche Weise zum Erzeugen eines 1j0 Volt Ausgangspegels programmiert.

Das erste Glied der Gleichung (4) wird vom

Verstärker A.6 erzeugt, der von den Widerständen R56 und R68 zum Erzeugen eines konstanten 1,38 Volt Signals an seinem Ausgang programmiert wird.

Das zweite Glied der Gleichung (4) wird vom

Schaltkreis M1 geliefert, der eine Mehrfunktionseinrichtung ist, deren Ausgangsspannung V wie folgt definiert wird

25 V

a 9 γ V \-^r 1

worin m ein programmierbarer Exponent ist. Mehrfunktionseinrichtungen mit der angegebenen Uebertragungsfunktion werden zum Beispiel durch Analog Devices or Norwoord, Massachusetts, unter der Codenummer AD433J und durch andere hergestellt. Die Uebertragungsfunktion des Moduls M1 lässt sich wie folgt bezeichnen
k(l_a)^m (6)

worin k gleich V , I gleich V„ und V gleich V_D__ ist. Der

y el ζ χ. η P/ ρ

Exponent m ist von den Widerständen R29 und R30 programmiert R29

m =

R29 + R30

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(7)

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Der Eingang Ia des Anodenstromvorexnstellers 18 (Fig. 1) gelangt an den Eingang V der Mehrfunktionseinrichtung M1. Die Konstante k wird durch die Einstellung der Potentiometer R oder R bestimmt, die von analogen Schaltern 22 oder 2h beim Empfang von Signalen aus dem Röhrenvähler gewählt werden und mit dem Eingang V von M1 verbunden wird.

Die Konstante k wird für jede Röhre durch die Einstellung des entsprechenden Potentiometers (r. oder R ) auf einen hohen Anoden-Kilovoltwert (insbesondere 120 kV) und einen niedrigen Anodenstrom (insbesondere 50 mA) programmiert. Die Wahl einer besonderen Röhre schliesst einen der Analogschalter (22 oder 2k), der eines der Potentiometer mit M1 verbindet. Der Ausgang von M1, der das zweite Glied, der Gleichung (4) darstellt, wird im Verstärker A5 summiert sowie darauf im Verstärker A6, der den Heizstrom-Prädiktorausgang dem Heizstromregler 14 zuführt.

Das dritte Glied der Gleichung (4) stellt die

Raumladungseffekte in der Röntgenröhre dar. Das erste Glied im Nenner - .- -

el -°'⁶⁶⁷ . (8)

wird von einer Mehrfunktionseinrichtung M2 geliefert, worin der Exponent m durch die Widerstände R35 und R36 auf den Wert 0,667 programmiert wird. Das Anodenstrom-Voreinstellsignal Ia gelangt zum Eingang V des Mehrfunktionsschaltkreises M2 und die Konstante c wird für jede Röhre durch die Potentiometer RB und RD bestimmt, die über die Analogschalter 23 und. 25.schaltbar mit dem Eingang V von M2 verbunden. Die Konstante c wird für jede Röhre bei einer niedrigen Anodenspannung (etwa 50 kV) und einem hohen Betriebsstrom, wenn kräftige Raumladungseffekte auftreten.

Der Ausgang von M2 wird im Verstärker A3 mit

der Konstante —2,4,. die am Ausgang von A1 erzeugt wird, und mit einem Signal KV summiert, das die voreingestellte Anodenspannung aus dem Regler I7 darstellt (Fig. 1). Diese Summe kann negativ sein, aber der Gleichrichter CR2 am Ausgang von ·\·Α3 beschränkt das .Signal auf nicht negative Werte. Dieses Signal wird im Verstärker A4 invertiert und

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ΛΑ

gelangt zum V -Eingang einer Mehrfunktionseinrichtung M3, die als Teiler angeschlossen ist und zur Berechnung des angegebenen Reziprokwertes dient. Der Ausgang von M3 ist mit dem Eingang des Verstärkers A5 verbunden und dort mit einem von Widerständen R48 und Rk^ bestimmten Massstabfaktor 0,15 multipliziert. Die Kombination von Verstärkern A5 und a6 dient zum Summieren der drei Glieder der Gleichung (4) und zum Anwenden des entsprechenden Massstabfaktors, um den Prädiktorausgang zu erhalten, der dem Heizstromregler zugeführt wird.

Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht also Voraussage und Regelung des Heizstroms der Röntgenröhre für die Dauer des Intervalls direkt nach dem Anlegen der Anodenspannung, bei dem Rückköpplungsregelung ungeeignet ist. Die Anordnung lässt sich auf einfache Weise mit Hilfe von Mehrfunktions-Analogmoduln herstellen. Es sind nur zwei Kalibriereinstellungen (eine bei hoher Spannung und niedrigem Strom, die andere bei niedrigem Strom und hoher Spannung) für jede Röntgenröhre erforderlich; eine Eigenschaft, die das Installieren und Warten des Generators stark erleichtert.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE:

M Λ Heizstrom-Prädiktionsanordnung zum Erzeugen

eines vorbestimmten Anodenstroms in einer Röntgenröhre bei einem bekannten Anoden-Kilovoltwert, mit einem elektronischen Computer zum Empfangen einer Eingangsspannung KV als Anodenspannung der Röntgenröhre und einer Eingangsspannung I als vorgegebenen Anodenstroms und zum Berechnen einer Heizstrom-Regelspannung I„ daraus entsprechend der Beziehung

_1D I_f = s(u₊kl ₊ ^

cl^y + KV + ζ ■ a

(1)

worin u vom Austrittspotential der Kathode der Röhre abhängt.

a
ist eine Röhrenemissions-Kennlinie und

cl^y + KV + 2" a

(3)

ist ein Glied, das die Raumladungseffekte in der Röhre darstellt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass u, w, χ, y und ζ im wesentlichen gleich 1,38; 0,16 1,5; -0,667 bzw. -2₉4 sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeich-

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net, dass weiter noch eine erste Vielzahl von Reglern zum Einstellen des Werts der Konstante k für einen jeden einer entsprechenden Anzahl von Röntgenröhren-Heizfäden, eine zweite Vielzahl von Reglern zum Einstellen des ¥erts der Konstante c für einen jeden der erwähnten Heizfäden und Mittel zum Erhalten eines Signals, das den Betrieb einer besonderen Röntgenröhre angibt und beim Empfang die zugeordneten Regler anschliesst.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

net, dass der Computer eine Vielzahl von Mehrfunktionseinrichtungen enthält, die je die Uebertragungsfunktion V

haben, die angeschlossen sind, um die Heizstrom-Regelspannung entsprechend der Gleichung

I = s(1,38 + kl⁰'¹⁶ + ) (4)

el ' + KV - 2,4 a '

zu berechnen.

„_n 5· Röntgengenerator mit einer Stromversorgung und

wenigstens eine Röntgenröhre, wobei vorgesehen sind: Mittel zum Erzeugen einer vorgegebenen Anodenspannung zur erwähnten Röhre, -Mittel zum Erzeugen und Regeln eines Heizstroms in der erwähnten Röhre beim Empfang eines Heizstromregelsignals, und Rückkopplungsregelmittel zum Einstellen der erwähnten Heizstromregelsignale beim Erhalten eines Anodenstromfluss^signals zum Stabilisieren des erwähnten Anodenstroms in dei- erwähnten Röhre auf einem Voreins te llwert, dadurch gekennzeichnet, dass weiter eine Anordnung zum Voraussagen des Heizstroms zum Erzeugen des erwähnten Voreinstellwerts von Anodenstrom in der erwähnten Röhre vorgesehen ist, die ein Eingangssignal KV als vorgegebener Anodenspannimg und ein weiteres Eingangssignal I als des voreinge-

et

stellten Anodenstroms zugeführt werden zum Berechnen einer

„ Heizstromregelspannung I„, wobei die erwähnte Anordnung zum Voraussagen des Heizstroms den Heizstrom in einem Zeitraum direkt nach dem Anlegen der Anodenspannung und bis zur ¥irksamkeit der Rückkopplungsregelmittel für die Anodenstrom-

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regelung steuert.

6. Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Voraussagen die Heizstrom-Regelspannung aus einer Funktion berechnet, die im wesentlichen 5 gleich

!, ..(1.38 ♦*!."· "»♦ _CI 0,667 _{+ κν} . _2-t) ist.

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