Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungssystem zum Einstellen eines Hochspannungspotenzials in einer Hochspannungseinheit sowie ein Verfahren hierzu.

Stand der Technik

Um ein Hochspannungspotenzial in einer Hochspannungseinheit, wie z.B. einer Röntgenröhre einzustellen, wird in einer Steuereinheit, die sich auf Erd- oder Netzpotenzial befindet, die Übertragerkurvenform z.B. eines Hochspannungstransformators nachgebildet und eine entsprechende Primärspannung generiert. Eine Überprüfung des tatsächlich so generierten Hochspannungspotenzials findet in der Regel nicht statt.

Bauteilabweichungen bzw. ungenaue Kenntnis der Parameter des Hochspannungstransformators sowie Störungen auf der Übertragerstrecke zwischen der Seite des Erd- oder Netzpotenzials und der Seite des Hochspannungspotenzials können jedoch zu einer ungenauen Einstellung des Hochspannungspotenzials führen, was bislang weder detektierbar noch kompensierbar ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Einstellen eines Hochspannungspotenzials in einer Hochspannungseinheit zur Verfügung zu stellen. Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Steuereinheit zum Einstellen eines Hochspannungspotenzials in einer Hochspannungseinheit vorgesehen. Die Steuereinheit umfasst:

- eine Einrichtung zum Übermitteln eines Stellwerts, insbesondere auf nicht elektrischem Weg;

- eine Einrichtung zum Empfangen einer Vergleichsgröße, die, insbesondere in Form eines nicht elektrischen Signals übermittelt wird,

- eine Treibereinheit zum Bereitstellen einer Primärspannung abhängig von der Vergleichsgröße;

- einen Hochspannungstransformator zum Generieren des Hochspannungspotenzials aus der Primärspannung als SekundärSpannung .

Weiterhin kann die Einrichtung zum Übermitteln eines Stellwerts einen elektrooptischen Wandler und/oder die Einrichtung zum Empfangen der Vergleichsgröße einen optoelektronischen Wandler umfassen.

Es kann eine Gleichrichter- und Glättungseinheit vorgesehen sein, um eine Ausgangsspannung des

Hochspannungstransformators in das Hochspannungspotenzial gleichzurichten und zu glätten.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Hochspannungseinheit vorgesehen. Die Hochspannungseinheit umfasst: -eine Einrichtung zum Empfangen eines Übertragungssignals, das insbesondere in Form eines nicht elektrischen Signals bereitgestellt wird, und zum Generieren einer ersten elektrischen Größe aus dem Übertragungssignal; - eine Einrichtung zum Generieren einer zweiten elektrischen Größe aus einem der Hochspannungseinheit bereitgestellten Hochspannungspotenzial ;

- einen Vergleicher zum Vergleichen der elektrischen Größen und zum Generieren einer Vergleichsgröße; und

- eine Einrichtung zum Übermitteln der Vergleichsgröße insbesondere in Form eines nicht elektrischen Signals.

Eine Idee der obigen Steuereinheit und der Hochspannungseinheit besteht darin, eine Einstellung eines Hochspannungspotenzials über die Steuereinheit abhängig von dem tatsächlich in der Hochspannungseinheit vorliegenden Hochspannungspotenzial vorzunehmen. Eine direkte Messung des Hochspannungspotenzials in der Hochspannungseinheit ist in der Regel technisch aufwändig zu realisieren, da ein Referenzpotenzial für das Hochspannungspotenzial bereitgestellt werden muss.

Bei dem hier dargestellten Hochspannungssystem kann eine Angabe über das einzustellende Hochspannungspotenzial durch einen Stellwert vorgegeben werden. Die Einstellung des Hochspannungspotenzials auf den vorgegebenen Wert erfolgt durch Einstellen der Primärspannung abhängig von einer von der Hochspannungseinheit bereitgestellten Vergleichsgröße, die ein Ergebnis eines Vergleichs einer von dem Stellwert abhängigen Größe und einer entsprechenden aus dem anliegenden Hochspannungspotenzial abhängigen Größe angibt.

Weiterhin kann die Einrichtung zum Generieren der zweiten elektrischen Größe einen Spannungsteiler aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Hochspannungseinheit als Röntgenröhre ausgebildet sein und eine Heizeinheit aufweisen, wobei weiterhin ein Stromwandler, z.B. in Form eines Transformators, vorgesehen ist, um eine Versorgungsspannung aus einem durch die Heizeinheit geführten Heizstrom zu generieren. Insbesondere kann die Einrichtung zum Generieren der ersten elektrischen Größe einen opto-elektronischen Wandler und einen Tiefpassfilter umfassen, um ein geglättetes Steuersignal bereitzustellen.

Es kann eine Referenzspannungseinheit vorgesehen sein, um eine Referenzspannung aus der Versorgungsspannung zu generieren, mit der der opto-elektronische Wandler versorgt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Hochspannungssystem zum Einstellen eines Hochspannungspotenzials vorgesehen. Das Hochspannungssystem umfasst die obige Hochspannungseinheit und die obige Steuereinheit.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Einstellen einer Spannung in einer Hochspannungseinheit vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: -Übertragen eines Übertragungssignals, das insbesondere in Form eines nicht elektrischen Signals bereitgestellt wird,

- Generieren einer ersten elektrischen Größe aus dem Übertragungssignal ;

- Generieren einer zweiten elektrischen Größe aus einem in der Hochspannungseinheit bereitgestellten

Hochspannungspotenzial ;

- Vergleichen der elektrischen Größen und zum Generieren einer Vergleichsgröße abhängig von den elektrischen Größen;

- Übertragen der Vergleichsgröße insbesondere in Form eines nicht elektrischen Signals;

- Einstellen einer Primärspannung zum Erzeugen des Hochspannungspotenzials abhängig von der Vergleichsgröße.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zum Einstellen einer Gitterspannung in einer Röntgenröhre. Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein Röntgenröhrensystem 1 mit einer Steuereinheit 2, die mit der Röntgenröhre 3 über einen nicht elektrisch leitenden Übertragungsweg 4, z.B. in Form eines ersten und zweiten Lichtwellenleiters 20, 21 verbunden ist. Weiterhin erzeugt die Steuereinheit 2 ein Gitterpotenzial, das als Hochspannungspotenzial U _s der Röntgenröhre 3 zur Verfügung gestellt wird. Die Steuereinheit stellt den Niederspannungsabschnitt des Röntgenröhrensystems 1 dar.

Die Steuereinheit 2 umfasst eine Stellwertübertragungseinheit 5, die einen Stellwert S, der eine Führungsgröße darstellt, als Angabe für die einzustellende Gitterspannung U _G in analoger oder digitaler Form empfängt und diesen in ein geeignetes Übertragungssignal S' zum Übertragen über den ersten Lichtwellenleiter 20 an die Röntgenröhre 3 wandelt.

Das Übertragungssignal S' wird auf nicht elektrischem Wege an die Röntgenröhre 3 übertragen, um die Steuereinheit 2 und die Röntgenröhre 3 galvanisch voneinander zu trennen.

Die Übertragung des Übertragungssignals S' erfolgt beispielsweise mithilfe des Lichtwellenleiters 20, wobei der Ausgang der Stellwertübermittlungseinheit 5 mit einem elektro-optischen Wandler 22 gekoppelt ist. In dem elektro- optischen Wandler 22 wird das Übertragungssignal S' zu einem optischen Übertragungssignal gewandelt und über den ersten Lichtwellenleiter 20 an die Röntgenröhre 3 gesendet, wo das Steuersignal in einem opto-elektronischen Wandler 6 in der Röntgenröhre 3 empfangen wird. Der opto-elektronische Wandler 6 wandelt das empfangene optische Übertragungssignal in ein entsprechendes elektrisches Stellgrößensignal S _E um.

Das Übertragungssignal S' wird vorzugsweise durch

Pulsweitenmodulation aus dem Stellwert S als digitales Signal erzeugt, wobei die zu übertragende Information in einem Tastverhältnis des Signals codiert sein kann.

Der opto-elektronische Wandler 6 wird durch eine im

Hochspannungsabschnitt der Röntgenröhre 3 erzeugten Referenzpotenzial V _Ref und ein entsprechendes Hilfs-

Massepotential V ₀ betrieben, so dass am Ausgang des optoelektronischen Wandlers 6 ein dem Übertragungssignal S' entsprechendes digitales Signal mit den Pegeln V _Ref und V ₀ gemäß dem Tastverhältnis anliegt.

Der Ausgang des opto-elektronischen Wandlers 6 wird einem Tiefpassfilter 7 in der Röntgenröhre 3 zugeführt, um ein geglättetes bzw. gefiltertes Steuersignal S _F ' zu erhalten. Das geglättete Steuersignal S/ entspricht einem Vergleichsspannungspegel und wird einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 8 in der Röntgenröhre 3 zugeführt. Der Tiefpassfilter 7 ist im vorliegenden Beispiel als Tiefpassfilter erster Ordnung ausgebildet und umfasst einen Serienwiderstand und eine Parallelkapazität.

Die Steuereinheit 2 umfasst weiterhin eine Treiberschaltung 9, die eine in ihrer Amplitude einstellbare Primärspannung U _p auf Erd- bzw. Netzpotenzial erzeugt, die über einen entsprechenden Hochspannungstransformator 10 sekundärseitig in eine Hochspannung U _s umgewandelt wird. Der sekundärseitige Ausgang des Hochspannungstransformators 10 wird einer Gleichrichter- und Glättungseinheit 11 zugeführt, der ein von der Primärspannung U _p der Treiberschaltung 9 abhängiges Sekundärpotenzial als der Röntgenröhre 3 bereitzustellendes Hochspannungspotenzial V _s ausgibt.

Das Hochspannungspotenzial V _s wird über einen ersten Widerstand R ₁ an den invertierenden Eingang des

Operationsverstärkers 8 angelegt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 ist weiterhin über einen Widerstand R ₂ mit dem Hilfs-Massepotenzial V ₀ verbunden. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 8 ist weiterhin über eine Impedanz Z mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 rückgekoppelt. Der Ausgang des

Operationsverstärkers 8 gibt eine Vergleichsgröße VS in Form eines Spannungspotenzials aus, die ein Ergebnis des Vergleichs der Spannungen an dem nicht invertierenden bzw. invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 angibt.

Die Vergleichsgröße VS wird über einen weiteren elektrooptischen Wandler 23 (entsprechend dem elektrooptischen Wandler 22) in ein optisches (vorzugsweise pulsweitenmoduliertes ) Signal gewandelt, das über den zweiten Lichtwellenleiter 21 und über einen opto-elektronischen Wandler 24 der Steuereinheit 2 an die Treiberschaltung 9 der Steuereinheit 2 übermittelt wird. Zur einfachsten Fall ist die Vergleichsgröße eine Angabe darüber, ob eine positive oder negative Abweichung an den Eingängen des Operationsverstärkers 8 anliegt. Die mit Hilfe des weiteren elektrooptischen Wandlers 23 übertragene optische

Vergleichsgröße VS gibt dann an, ob die einstellbare PrimärSpannung V _p erhöht oder vermindert werden muss.

Ist die Vergleichsgröße VS eine quantitative Angabe der Abweichung zwischen dem gefilterten Steuersignals S _F ' und des aus dem Hochspannungspotenzial V _s gebildeten Spannungspotenzials V _τ , so kann in dem weiteren elektrooptischen Wandler 23 ein pulsweitenmoduliertes Lichtsignal generiert werden, dass die Angabe über die Höhe der Abweichung an die Steuereinheit übermittelt.

Die Treiberschaltung 9 generiert die Primärspannung U _p zum Anlegen an den Hochspannungstransformator 10 abhängig von der über den zweiten Lichtwellenleiter 21 übermittelten Vergleichsgröße VS, d.h. die Amplitude der Primärspannung U _p wird abhängig von U _s eingestellt.

Die Vergleichsgröße VS kann in digitaler Weise an die Treiberschaltung 9 übertragen werden. Alternativ könnte die Vergleichsgröße VS durch geeignete Mittel auch in ein analoges Signal gewandelt oder in eine pulsweitenmodulierte Form gebracht werden, bevor es an die Steuereinheit 2 übertragen wird.

Der erste Widerstand R ₁ und der zweite Widerstand R ₂ bilden einen Spannungsteiler, mit dem das sekundärseitige Hochspannungspotenzial V _s geteilt wird, so dass die an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 anliegende Spannung in dem von dem Hilfs-Massepotenzial V ₀ und dem Referenzpotenzial V _Ref gebildeten Spannungsbereich liegt. Üblicherweise beträgt die Spannung zwischen der Referenzspannung V _Ref und dem Hilfs-Massepotenzial V ₀ nur wenige Volt, wie z.B. 10 V. Bei einem Hochspannungspotenzial V _s , das in einem Hochspannungsbereich von beispielsweise 5 kV bis 400 kV einstellbar sein soll, bedeutet dies ein

Verhältnis R _j /R ₂ von 40.000, so dass bei Anliegen eines Hochspannungspotenzials in dem oben angegebenen Bereich an einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8, eine Spannung zwischen ca. V ₀ + 1,6V und V ₀ + 10 V anliegt.

Zum Einstellen des Hochspannungspotenzials V ₃ gemäß dem vorgegebenen Stellwert S generiert die

Stellwertübertragungseinheit 5 ein pulsweitenmoduliertes Signal, das am Ausgang des optoelektronischen Wandlers 6 ein Steuersignal einwirkt, das durch den Tiefpassfilter 7 geglättet wird, so dass sich dort eine Spannung des geglätteten Steuersignals S _F ' entsprechend dem Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Übertragungssignals S' und dem Referenzpotenzial V _Re£ , mit dem der optoelektronische Wandler 6 betrieben wird, ergibt. Mit diesem geglätteten Steuersignal S/ wird nun das geteilte Hochspannungspotenzial V _x verglichen und eine entsprechende Vergleichsgröße VS am Ausgang des Operationsverstärkers 8 ausgegeben. Die Vergleichsgröße VS entspricht im Wesentlichen der Versorgungsspannung U _B (V _B —V ₀ ) für den Operationsverstärker 8, wenn das geglättete Steuersignal S _F ' größer ist als das Spannungspotenzial V _x des geteilten Hochspannungssignals, und es ergibt sich für die Vergleichsgröße VS das Hilfs-Masse- potenzial V ₀ , wenn das Spannungspotenzial V _x des geteilten Hochspannungspotenzials V _s größer ist als das geglättete Steuersignal S _F ' . Die Vergleichsgröße VS entspricht somit einem digitalen Signal, das angibt, ob das Hochspannungspotenzial V _s über oder unter dem von dem Stellwert S' angegebenen Potenzial liegt.

Die Treiberschaltung 9, die die Vergleichsgröße V ₃ empfängt, ist derart ausgebildet, dass sie die Primärspannung U _p zyklisch um einen bestimmten Betrag oder kontinuierlich erhöht, solange das Hochspannungspotenzial V _s noch nicht das durch den Stellwert S vorgegebene Spannungspotenzial erreicht hat bzw. erniedrigt, wenn das Hochspannungspotenzial V _s größer ist, als das durch den Stellwert S vorgegebene Spannungspotenzial .

Die Spannungsversorgung der in dem Hochspannungsabschnitt der Röntgenröhre 3 befindlichen Schaltungselemente erfolgt vorzugsweise über eine transformatorische Wandlung des durch eine Heizeinheit 19 der Röntgenröhre 3 fließenden Heizfadenstroms. Der Heizfadenstrom wird durch eine separate Heizversorgungsquelle 20 bereitgestellt. Die Wandlung erfolgt mithilfe eines geeigneten Stromwandlers, z.B. in Form eines weiteren Transformators 15 und einem Gleichrichter 16 in Form einer Diode, wodurch das Hilfs-Massepotenzial V ₀ und das Versorgungspotenzial V _B bereitgestellt wird.

Es ist weiterhin eine Referenzspannungseinheit 17 vorgesehen, die mit dem Versorgungspotenzial U _B und dem Hilfs- Massepotenzial V ₀ versorgt wird, um das Referenzpotenzial V _Ref zu erzeugen. Referenzspannungseinheiten 17 sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beispielsweise kann eine Zener-Diode in der Referenzspannungseinheit 17 verwendet werden, um ein konstantes Spannungspotential als Referenzpotenzial aus der von dem weiteren Transformator 15 bereitgestellten Versorgungsspannung V _B - V ₀ zu erzeugen. Das Hilfs-Massepotenzial V ₀ nimmt über die Widerstände R ₁ und R ₂ das Potenzial V _s ein.

Der weitere Transformator 15 und der nachgeschaltete Gleichrichter 16 können beispielsweise bei einem angenommenen Heizfadenstrom von 2 A bis 10 A eine gleichgerichtete und geglättete Spannung (durch den Kondensator) von 10 V bei 10 mA Versorgungsstrom liefern. Die Schaltungselemente in der Röntgenröhre 3, nämlich der optoelektronische Wandler 6, der Tiefpassfilter 7, die Widerstände R ₁ , R ₂ , die Impedanz Z, der Operationsverstärker 8 sowie der elektrooptische Wandler 23 sind vorzugsweise nahe des Gitters der Röntgenröhre 3 angeordnet bzw. desjenigen Teils in der Röntgenröhre 3, an dem das Hochspannungspotenzial angelegt ist. Da der Vergleich des durch die Steuergröße S/ angegebenen Hochspannungspotenzials mit dem tatsächlich an die Röntgenröhre 3 angelegte Hochspannungspotenzial V _s am Ort der Hochspannung erfolgt, ohne dass eine Übertragung einer Angabe über das Hochspannungspotenzial nach extern erforderlich ist, können Störungen aufgrund des Fehlens einer diesbezüglichen Übertragungsstrecke weitgehend ausgeschlossen werden. Da die Übertragung der Stellgröße S' zwischen der Steuereinheit 2 und der Röntgenröhre 3 auf nicht elektrischem Wege, wie z.B. über den Lichtwellenleiter 4 erfolgt bzw. da die Vergleichsgröße ebenfalls auf nicht elektrischem Wege zurück an die Steuereinheit 2, nämlich zu der Treiberschaltung 9, auf nicht elektrischem Weg übertragen wird, sind dadurch Einflüsse von Störsignalen aufgrund von EMV-Einwirkungen weitgehend ausgeschlossen.

Die Erfindung ist nicht auf Röntgenröhren beschränkt, sondern kann auf beliebige Hochspannungssysteme angewendet werden, in denen eine Spannungsquelle auf Hochspannungsniveau eingestellt werden muss.

Bezugszeichenliste

1 Röntgenröhrensystem

2 Steuereinheit 3 Röntgenröhre

4 Übertragungsstrecken

5 Stellgrößenübermittlungseinheit

6 Opto-elektronischer Wandler

7 Tiefpassfilter 8 Operationsverstärker

9 Treiberschaltung

10 Hochspannungstransformator

11 Gleichrichter- und Glättungseinheit 15 weiterer Transformator 16 Gleichrichter

17 Referenzspannungseinheit

19 Heizeinheit

20 erster Lichtwellenleiter

21 zweiter Lichtwellenleiter 22 elektrooptischer Wandler

23 elektrooptischer Wandler

24 opto-elektronischer Wandler 26 Heizversorgungsquelle