DE3635133C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1; vgl. die EP 0 080 691 A2.

Bei dem bekannten Röntgenstrahlerzeuger sind die Hochspannungsquellen über Schalteinheiten (z. B. Tetroden­ röhren) mit Anode und Kathode der Röntgenröhre ver­ bunden, wobei die zentrale Metallelektrode der Rönt­ genröhre an Masse liegt. Die Röntgen­ strahlerzeugung erfolgt durch Anlegen der Hochspan­ nungen über Anode und zentrale Metallelektrode sowie über Kathode und zentrale Metallelektrode. Wenn bei Röntgenstrahlerzeugern beispielsweise infolge eines Bruchs eines Kabels an der Anodenseite bei beheiztem Heizfaden der Röntgenröhre eine Hochspan­ nung an die Kathode, nicht aber an die Anode angelegt wird, besteht eine Gefahr für eine Zerstörung der Rönt­ genröhre aufgrund eines zwischen ihrer Kathode und ihrer zentralen Metallelektrode fließenden Fehler­ stroms.

Aus diesem Grunde ist bei dem aus der EP 0 080 691 A2 bekannten Hochspannungserzeuger eine Schutz­ schaltung zur Vermeidung von Schäden an der Röntgen­ röhre durch über die zentrale Metallelektrode fließen­ de Ströme vorhanden. Bei dieser Schutzschaltung werden bei Erfassung eines Fehlers alle Spannungsquellen der Rönt­ genröhre ausgeschaltet. Diese Spannungsquellen werden aber nicht nur dann abgeschaltet, wenn der Kathodenver­ sorgungsteil ausfällt, sondern auch bei einem Fehler im Anodenversorgungskreis. Daher kann ein Strom von der Kathode zur zentralen Metallelektrode infolge einer Entladung eines Glättungskondensators fließen. Ein sol­ cher Fehlerstrom kann z. B. bei einem Kurzschluß des zur Kathode führenden Schalters durchaus noch eine Beschädigung der Röntgenröhre hervorrufen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Röntgenstrahlerzeuger zu schaffen, der sogar vor Be­ schädigungen infolge von bei der Entladung von Glät­ tungskondensatoren auftretenden Strömen geschützt ist, wenn die Hochspannungsquellen des Röntgenstrahlerzeu­ gers bei Feststellung eines Fehlers ausgeschaltet wer­ den.

Diese Aufgabe wird bei einem Röntgenstrahlerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Röntgenstrahlerzeugers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Fehlerstrom-Detektor­ einheit gemäß Fig. 1,

Fig.3 ein Schaltbild eines Treibers für eine aus einer Tetroden­ röhre gemäß Fig. 1 bestehenden Schalteinheit,

Fig. 4 ein Zeitsteuerdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Röntgenstrahlerzeugers gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Röntgenstrahlerzeugers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Fehlerstrom-Detektoreinheit gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 ein Schaltbild eines Röntgenstrahlerzeugers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfin­ dung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Wechselstromquelle 10, die z. B. 200 V liefert, über einen Stromquellenschalter 11 mit der Primärwicklung 12a eines Hochspannungs-Trans­ formators 12 verbunden, der seinerseits Sekundärwick­ lungen 12b und 12c jeweils gleicher Windungszahl auf­ weist. Diese Sekundärwicklungen 12b und 12c sind an Diodenbrückenkreise 13a bzw. 13b abgeschlossen, um an diese jeweils eine Hochspannung derselben Größe anzulegen. Die angelegte Spannung wird durch die Brücken­ kreise 13a, 13b gleichgerichtet. Die Ausgänge der Brückenkreise 13a, 13b sind mit Kondensatoren 14a bzw. 14b zum Glätten der von den Brückenkreisen ge­ lieferten Ströme verbunden. Die Kondensatoren 14a, 14b sind an der einen Seite über Hochspannungsschalter (Tetroden bzw. Tetrodenröhren) 15a bzw. 15b an Anode 16a bzw. Kathode 16b einer Röntgenröhre 16 angeschlossen und an der anderen Seite über Widerstände 17a bzw. 17b mit Masse verbunden. An die Röntgenröhre 16 wird eine Hochspannung angelegt, um erstere Röntgenstrahlen emittieren zu lassen. Die Kathode 16b der Röntgenröhre 16 wird durch eine Heizfaden-Heizeinheit zur Emission von Elektronen vorgeheizt. Die Heizeinheit 18 wird über einen Heizfadenschalter 20 mit einer Speisespannung von einer Heizfaden-Stromquelle 19 beschickt. Eine zentrale Metallelektrode 16c der Röntgenröhre 16 ist an Masse gelegt.

Die Erfassung eines Fehlerstroms an Anoden- und Kathodenseite der Röntgenröhre 16 erfolgt durch Mes­ sung der Spannungen über die Widerstände 17a und 17b durch eine mit letzteren verbundene Fehlerstrom- Detektorschaltung 21. In einem Fehler- bzw. Störungszustand, etwa bei einer Störung der Hochspannungsschalter (Tetroden) und einer Kurzschlußstö­ rung des Hochspannungsschalters an der Kathodenseite, fließt ein Fehlerstrom, der eine Nichtkoinzidenz zwischen den über die Widerstände 17a und 17b anliegen­ den Spannungen hervorruft. Beim Auftreten des Fehler­ zustands liefert die Detektorschaltung 21 augen­ blicklich ein Fehlerzustandssignal zu einer Schutz­ schaltung 22, die unmittelbar darauf den Stromquellen­ schalter 11 und den Heizfadenschalter 20 öffnet, um die Röntgenstrahlenemission zu verhindern bzw. zu be­ enden. Die Schutzschaltung 22 liefert das Fehler­ zustandssignal zu einem Störungsanzeiger 23 und einer Röntgenemission-Steuerschaltung 24. Der Störungsan­ zeiger 23 informiert eine Bedienungsperson oder einen Mediziner mittels des Fehlerzustandssignals vom Fehlerzustand.

Die Röntgenemission-Steuerschaltung 24 liefert gleich­ zeitig ein Emissionssteuersignal (im folgenden als EIN- Signal bezeichnet) zu Hochspannungsschalter-Treibern 25a und 25b, um die Hochspannungsschalter 15a und 15b gleich­ zeitig ein- und auszuschalten. Bei Eingang des Fehlerzustands­ signals von der Schutzschaltung 22 beendet die Steuer­ schaltung 24 die Erzeugung des EIN-Signals.

Die Fehlerstrom-Detektorschal­ tung 21 erzeugt ein Fehler-Erfassungssignal, das eine Kurzschluß­ störung des mit der Kathode 16b der Röntgenröhre verbunde­ nen Hochspannungsschalters 15b angibt. Dieses Signal wird einem Zeitgeber 26 zugeführt, der ein EIN-Signal einer vorbestimmten Zeitdauer erzeugt, welches seinerseits zusammen mit dem Ausgangssignal der Steuer­ schaltung 24 über ein ODER-Glied 27 an die Hochspannungs­ schalter-Treiber 25a und 25b angekoppelt wird. Infolge­ dessen wird der Hochspannungsschalter 15a an der Anodenseite bei Kurzschluß des Hochspannungsschalters 15b erneut eingeschaltet. Da auf diese Weise zwei Kondensatoren 14a und 14b zwischen Anode 16a und Kathode 16b der Röntgenröhre 16 entladen werden, fließt nahezu kein Strom über die zentrale Metallelektrode 16c, daß deren Schmelzen und eine dadurch bedingte Zerstörung der Röntgenröhre 16 verhin­ dert wird.

Der Aufbau der Fehlerstrom-Detektorschaltung 21 ist nachstehend anhand von Fig. 2 erläutert.

Ein Verbindungspunkt zwischen Kondensator 14a und Widerstand 17a ist mit einem invertierten Eingang ei­ nes Verstärkers 31a verbunden, dessen Ausgang mit einem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 33a verbunden ist. Ein Verbindungspunkt von Kondensator 14b und Widerstand 17b ist an einen invertierenden Eingang eines Verstärkers 31b angeschlossen, dessen Ausgang mit einem invertieren­ den Eingang eines Verstärkers 32 verbunden ist. Der Ausgang des letzteren ist wiederum an einen nicht- invertierenden Eingang eines Komparators 33b angeschlos­ sen. Die invertierenden Eingänge der Komparatoren 33a und 33b sind mit einer Bezugsspannungsquelle 34 verbunden.

Im Leit- oder Durchschaltzustand der Hochspannungsschalter 15a und 15b wird ein Spannungssignal negativer Polarität vom Widerstand 17a erhalten, während umgekehrt ein Spannungs­ signal positiver Polarität vom Widerstand 17b erhalten wird. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß diese Spannungs­ signale im normalen Betriebzustand der Schaltung prak­ tisch gleiche Größe besitzen. Die Größen dieser Span­ nungen werden durch Komparatoren 33a und 33b mit der Bezugsspannung Vref verglichen. Die Komparatoren 33a, 33b liefern im Normalbetrieb des Hochspannungsschalters, d. h. wenn ein normaler Strom über die Röntgenröhre 16 ließt, ein Ausgangssignal einer positiven Polarität.

Der Ausgang des Komparators 33a ist über einen Inverter 35 mit dem Eingang eines UND-Glieds 36a verbunden, wäh­ rend der Ausgang des Komparators 33b an den Eingang eines UND-Glieds 33b angeschlossen ist.

Das EIN-Signal der Röntgenemission-Steuerschaltung 24 wird einem Verzögerungskreis 37a und über einen Inver­ ter 39 einem Verzögerungskreis 38b zugeführt. Die Ver­ zögerungskreise 37a und 38b erteilen den ansteigenden Flanken ihrer Impulse Verzögerungs- oder Laufzeiten td1 bzw. td2. Die Ausgänge der Verzögerungskreise 37a und 38b sind mit Eingängen der UND-Glieder 36a bzw. 36b verbunden, deren Ausgänge an die Setzeingänge von Flipflops 40a bzw. 40b angeschlossen sind.

Die Steuerschaltung 24 liefert ein Steuersignal dersel­ ben Polarität wie der des EIN-Signals zum UND-Glied 36a und ein Steuersignal der entgegengesetzten Polarität zum UND-Glied 36b. Wenn daher ein normaler Strom über die Röntgenröhre 16 fließt, bleibt das Ausgangssignal des UND-Glieds 36a niedrig. Dasselbe gilt auch für das UND- Glied 36b. Die Flipflops 40a, 40b werden daher nicht ge­ setzt, so daß ihre Ausgänge Q auf dem niedrigen Pegel bleiben.

Wenn eine Störung auftritt, bei welcher, während das EIN- Signal den hohen Pegel besitzt, der Hochspannungsschalter 15a abgeschaltet und der Hochspannungsschalter 15b eingeschaltet wird, wird das Ausgangssignal des Komparators 33a niedrig und damit das Ausgangssignal des UND-Glieds 36a hoch, wodurch das Flipflop 40a gesetzt wird und demzufolge sein Ausgangssignal hoch wird. Dieses Fehlerzustands-Signal wird über ein ODER-Glied 41 der Schutzschaltung 22 geliefert, welche den Schalter 11 und den Heizfadenschalter 20 öffnet. Gleichzeitig informiert die Schutzschaltung 22 die Bedienungsperson über den Störungsanzeiger 23 von dem Störungszustand, während die Steuerschaltung 24 veranlaßt wird, die Erzeugung des EIN-Signals zu be­ enden.

Wenn eine Störung auftritt, bei welcher, während das EIN- Signal den niedrigen Pegel besitzt, der Hochspannungsschalter 15a abgeschaltet und der Hochspannungsschalter 15b trotzdem durchgeschaltet sind, bleibt zwar das Ausgangssignal des UND-Glieds 36a niedrig; aber nunmehr wird das Ausgangssignal des UND-Glieds 36b hoch, wodurch das Flipflop 40b gesetzt wird, so daß ein Ausgang Q des Flipflops 40b auf den hohen Pegel über­ geht. Das hochpegelige Ausgangssignal des Flipflops 40b wird über das ODER-Glied 41 der Schutzschaltung 22 zu­ geführt. Auf diese Weise findet ein ähnlicher Arbeits­ vorgang statt, wie oben beschrieben. Ein hochpegeliges Ausgangssignal des Flipflops 40b wird dem Zeitgeber 26 als Fehler­ erfassungs-Signal zugeführt, der das EIN-Signal erzeugt, das über das ODER-Glied 27 den Hochspannungsschalter-Treibern 25a, 25b aufgeprägt wird. Infolgedessen wird der Hochspannungs­ schalter 15a zwangsweise erneut eingeschaltet.

Die Rücksetzeingänge der Flipflops 40a, 40b sind mit Rücksetzschaltern 42a bzw. 42b verbunden, so daß die Bedienungsperson diese Flipflops nach Bedarf rück­ setzen kann.

Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau der Hochspannungs­ schalter-Treiber 25a und 25b. Das genannte EIN-Signal wird an die Basis eines Transistors 44 angelegt. Im Durchschaltzustand des Transistors 44 ist ein Steuer- Gitter G1 der Tetrodenröhre 15a bzw. 15b auf eine Größe von +100 V in bezug auf eine Kathode K vorgespannt, so daß die Tetrodenröhre 15a bzw. 15b eingeschaltet ist. Im Sperrzustand des Transistors 44 ist das Gitter G1 auf eine Größe von -900 V gegenüber der Kathode K vorgespannt, so daß der Hochspannungs­ schalter 15a bzw. 15b abgeschaltet ist. Zur Verbesserung der Spannungsverstärkung des Hochspannungsschalters 15a bzw. 15b wird ein Schirm- Gitter G2 auf eine Größe von +500 V gegenüber der Kathode K vorgespannt.

Fig. 4 ist ein Zeitsteuerdiagramm für den Fall, daß ein Störungszustand bei einem rechnergestützten Tomographiegerät (Computertomographen) auftritt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß ein solches Gerät eine Schnittscheibe eines z. B. menschlichen Untersuchungsobjekts rekonstruiert, in­ dem letzteres intermittierend mit Röntgenstrahlung be­ strahlt wird, während die Röntgenröhre um das Unter­ suchungsobjekt herum gedreht wird, und die durch das Untersuchungsobjekt hindurchgedrungenen Röntgenstrahlen gemessen werden.

Gemäß Fig. 4 ist das EIN-Signal ein Impulssignal mit wiederholt abwechselnd hohem und niedrigem Pegel zum Bestrahlen des Untersuchungsobjekts mit Röntgenstrah­ lung. Während der Hochpegelperiode des Impulses ist der Hochspannungsschalter geschlossen, wobei eine hohe Span­ nung über Anode 16a und Kathode 16b der Röntgenröhre 16 angelegt wird.

Falls zum Zeitpunkt t1 (AUS-Zeitpunkt im Normalzustand) der Hochspannungsschalter 15b aufgrund einer Kurzschlußstö­ rung ausfällt, fließt über die zentrale Metallelektrode 16c ein größerer als der normale Strom. Die Zeitspanne t2 stellt die Zeit dar, die für das zwangsweise Kurz­ schließen des Hochspannungsschalters durch Schutz­ schaltung 22 und Hochspannungsschalter-Treiber nach der Feststellung des genannten Fehlerzustands durch die betreffende Detektorschaltung 21 nötig ist. Zu die­ sem Zeitpunkt besitzt ein über die Kathode 16b der Röntgenröhre 16 fließender Strom eine kleinere Größe als im Normalzustand, weil der Hochspannungsschalter 15a an der Anoden­ seite offen ist und daher die angelegte Spannung die Hälfte der Spannung im Normalzustand beträgt. Zum Zeit­ punkt t3 wird aufgrund des zwangsweisen Kurzschließens des Hochspannungsschalters 15a eine Hochspannung über Anode 16a und Kathode 16b der Röntgenröhre 16 angelegt, so daß Röntgenstrahlung emittiert wird. Die Zeitspanne t4 stellt die Zeit dar, die für die tatsächliche Beendi­ gung des Fließens des Wechselstromquellen-Stroms durch den Transformator 12, nachdem die Schutzschaltung 22 einen Unterbrechungsbefehl zum Stromquellenschalter 11 geliefert hat, nötig ist. Diese Zeitspanne ist länger als die Zeitspanne t2. Nach dem Zeitpunkt t5 werden die Kondensatoren entladen; ihre Entladungs­ periode wird durch die Kapazität (z. B. 1 µF) der Konden­ satoren und den Widerstandswert (z. B. 50 Ω) der Wider­ stände 17a und 17b bestimmt.

Wegen des zwangsweisen Kurzschließens des Hochspannungs­ schalters 15a fließt ein über die zentrale Metallelektrode 16c fließender Strom nur während einer kurzen oder Über­ gangs-Zeitspanne t2. Diese Zeitspanne ist im Vergleich zu der Zeitspanne von t1-t5, die herkömmlicherweise für das Unterbrechen des Stromquellenschalters 11 nötig ist, und der für die Beendigung der Entladung erforderlichen Zeit erheblich verkürzt.

Die Fig. 5 und 7 veranschaulichen eine zweite bzw. dritte Ausführungsform, bei denen den Teilen von Fig. 2 entspre­ chende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher be­ zeichnet sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ein Widerstand 50 für Mittelmetallelektroden-Stromerfassung zwischen einen Verbindungspunkt der Widerstände 17a, 17b und Masse geschaltet. Eine Spannung über den Widerstand 50 wird durch die Fehlerstrom-Detektorschaltung 21 gemessen, um einen etwaigen, über die zentrale Metall­ elektrode 16c fließenden Strom zu erfassen. Weiterhin ist es dabei möglich, auch die über die Widerstände 17a, 17b erzeugten Spannungen mittels einer nicht darge­ stellten Detektorschaltung zu messen.

Fig. 6 veranschaulicht den Aufbau der Detektor­ schaltung 21 bei der Ausführungsform nach Fig. 5. Eine Spannung über den Widerstand 50 wird durch eine Kaskaden­ schaltung von invertierenden Verstärkern 61 und 62 an einen nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 63 angekoppelt, durch den diese Spannung mit einer Spannung Vref1 verglichen wird, die niedriger ist als eine Spannung, die während einer Offenstromkreisstörung des Hochspannungsschalters 15a über den Widerstand 50 erzeugt wird.

Andererseits wird eine Spannung über den Widerstand 50 über einen nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 64 angekoppelt, durch den diese Spannung mit einer Span­ nung Vref2 verglichen wird, die niedriger ist als eine Spannung, welche während einer Kurzschlußstörung des mit der Kathode 16b der Röntgenröhre 16 verbundenen Hochspannungsschalters 15b über den Widerstand 50 erzeugt wird. Während der Offenstromkreisstörung des mit der Anode 16a der Röntgenröhre 16 verbundenen Hochspannungsschalters 15a wird das Ausgangssignal des Komparators 63 hoch, so daß das Flipflop 65 gesetzt wird. Andererseits wird das Ausgangssignal eines UND-Gliedes 66 bei einem Kurz­ schluß des Hochspannungsschalters 15b hoch. Der Ausgang des Komparators 64 ist über das UND-Glied 66 mit einem Setzeingang eines Flip­ flops 67 verbunden. Das EIN-Signal von der Steuerschaltung 24 wird über einen Inverter 68 und einen Verzögerungskreis 69 zum UND-Glied 66 geliefert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird eine Fehler­ spannung, die bei einer Schalterstörung entsteht, mittels eines über die Anode 16a und Masse geschalteten Spannungsteilers 71, 72 und eines über die Kathode 16b und Masse geschalteten Spannungsteilers 73, 74 gemessen.

Claims (4)

1. Röntgenstrahlerzeuger, umfassend

• - eine Röntgenröhre (16) mit einer Anode (16a), einer Kathode (16b) und einer an Masse liegenden zentralen Metallelektrode (16c),
• - eine erste Hochspannungsquelle (12b, 13a, 14a) zum Anlegen einer positiven Hochspannung an die Anode (16a) der Röntgenröhre (16),
• - eine zweite Hochspannungsquelle (12c, 13b, 14b) zum Anlegen einer negativen Hochspannung an die Kathode (16b) der Röntgenröhre (16),
• - eine zwischen der ersten Hochspannungsquelle (12b, 13b, 14b) und die Anode (16a) der Röntgenröhre (16) geschaltete erste Schalteinheit (15a),
• - eine zwischen die zweite Hochspannungsquelle (12c, 13b, 14b) und die Kathode (16b) der Röntgenröhre (16) geschaltete zweite Schalteinheit (15b),
• - eine Steuersignal-Einheit (24) zum gleichzeitigen Ein- und Ausschalten von erster und zweiter Schalt­ einheit (15a, 15b),
• - eine Strom-Detektoreinheit zum Erfassen eines über die Metallelektrode (16c) der Röntgenröhre (16) fließenden Fehlerstroms und
• - eine mit der Strom-Detektoreinheit verbundene Schutzschaltung (22), welche bei Überschreiten eines vorgebbaren Stromwertes die Abgabe weiterer Steuersignale von der Steuersignal-Einheit (24) mit einem Signal zum Ausschalten und die Lieferung von Strom zu den Hochspannungsquellen beendet,

dadurch gekennzeichnet, daß beide Hochspannungsquel­ len (12b, 13a, 14a; 12c, 13b, 14b) Glättungskonden­ satoren (14a, 14b) enthalten und daß bei nach dem Ab­ schaltsignal aufgrund einer Kurzschlußstörung in der zweiten Schalteinheit (15b) noch fließendem Fehler­ strom zwischen Kathode (16b) und Metallelektrode (16c) die Strom-Detektoreinheit ein Einschaltsignal für die erste Schalteinheit (15a) abgibt.

2. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strom-Detektoreinheit einen Widerstand (50) in der Zuleitung zu der zen­ tralen Metallelektrode (16c) umfaßt.

3. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strom-Detektoreinheit einen ersten Spannungsteiler (71, 72) zwischen Anode (16a) und zentraler Metallelektrode (16c) und einen zwei­ ten Spannungsteiler (73, 74) zwischen Kathode (16b) und zentraler Metallelektrode (16c) umfaßt.