DE102022206833B4

DE102022206833B4 - Betreiben einer Röntgenröhre

Info

Publication number: DE102022206833B4
Application number: DE102022206833.5A
Authority: DE
Inventors: Josef Deuringer; Karsten Kruschat; Gerd Mörsberger
Original assignee: Siemens Healthineers AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2025-06-18
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: DE102022206833A1; US12035452B2; CN115734444A; US20230069782A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre (12), die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode (14) und einer Kathodenelektrode (16) angeordnete Gitterelektrode (18) aufweist, wobei
- mittels einer Fokussiereinheit (24) ein Elektronenstrom (26) von der Kathodenelektrode (16) zur Anodenelektrode (14) fokussiert wird, indem die Fokussiereinheit (24) die Gitterelektrode (18) zumindest in einem Fokussierbetrieb mit einem ersten elektrischen Gitterpotential beaufschlagt, um den Elektronenstrom (26) zu fokussieren,
- die Fokussiereinheit (24) mittels eines Energiewandlers (38) galvanisch getrennt mit elektrischer Energie versorgt wird,
- das erste elektrische Gitterpotential mittels eines einstellbaren Spanungsteilers (36) der Fokussiereinheit (24) bereitgestellt wird, und
- der einstellbare Spanungsteiler (36) mittels einer Steuerschaltung (40) der Fokussiereinheit (24) eingestellt wird, indem die Steuerschaltung (40) mit wenigstens einem galvanisch getrennten Steuersignal (42, 44) einer von der Röntgenröhre (12) galvanisch getrennten Steuereinheit (74) beaufschlagt wird, wobei das Steuersignal (42, 44) von einem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine elektrische Leistung des Energiewandlers (38) abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre, die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordnete Gitterelektrode aufweist, wobei mittels einer Fokussiereinheit ein Elektronenstrom von der Kathodenelektrode zur Anodenelektrode fokussiert wird, indem die Fokussiereinheit die Gitterelektrode zumindest in einem Fokussierbetrieb mit einem ersten elektrischen Gitterpotential beaufschlagt, um den Elektronenstrom zu fokussieren, und die Fokussiereinheit mittels eines Energiewandlers galvanisch getrennt mit elektrischer Energie versorgt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Röntgenröhre, die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordnete Gitterelektrode aufweist, mit einer Fokussiereinheit zum Fokussieren eines Elektronenstroms von der Kathodenelektrode zur Anodenelektrode, wobei die Fokussiereinheit ausgebildet ist, die Gitterelektrode zumindest in einem Fokussierbetrieb mit einem ersten elektrischen Gitterpotential zu beaufschlagen, um den Elektronenstrom zu fokussieren, einem Energiewandler zum galvanisch getrennten Versorgen der Fokussiereinheit mit elektrischer Energie, und einer von der Röntgenröhre galvanisch getrennten Steuereinheit zum Einstellen einer elektrischen Leistung des Energiewandlers. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Röntgengerät mit einer Röntgenröhre, die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordnete Gitterelektrode aufweist, und einer mittels einer Anschlussleitung an die Röntgenröhre angeschlossenen Schaltungsanordnung zum Betreiben der Röntgenröhre.
Röntgenröhren, Verfahren zu deren Betrieb sowie auch Schaltungsanordnungen hierfür sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, siehe beispielsweise US 2004 / 0 114 722 A1 , US 2002 / 0 034 279 A1 oder US 4 334 153 A. Röntgenröhren sind eine spezifische Art von Vakuum-Elektronen-Röhren, die vorliegend dazu dienen, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb eine Röntgenstrahlung für unterschiedlichste Zwecke bereitstellen zu können. Röntgengeräte sind häufig auch Bestandteil von bildgebenden Vorrichtungen, wie sie zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik oder auch in der Qualitätssicherung eingesetzt werden. Die Röntgenröhre nutzt dabei in der Regel ein Funktionsprinzip, bei dem durch geeignete Einstellung einer elektrischen Spannung zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode die Elektronen nach Art eines Elektronenstroms stark beschleunigt werden und unter vorgegebenen Bedingungen auf die Anodenelektrode auftreffen. Dabei wird Röntgenstrahlung freigesetzt. Das Freisetzen von Röntgenstrahlung kann unter anderem durch einen Auftreffbereich auf der Anode beeinflusst werden, der durch ein Fokussieren des Elektronenstroms zumindest teilweise eingestellt werden kann.
Bei gattungsgemäßen Röntgenröhren kann eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode anliegende Anoden-Kathoden-Spannung etwa 20 kV bis etwa 150 kV sein, wenn die Röntgenröhre einpolig ausgebildet ist. Bei einer zweipoligen ausgebildeten Röntgenröhre liegt immer noch die Gleiche Anoden/Kathodenspannung an, die Spannung von Anoden- beziehungsweise Kathodenelektrode gegen ein elektrisches Bezugspotential, beispielsweise eine Masse, ist jedoch nur die Hälfte der Beschleunigungsspannung. Sie kann etwa 30 kV bis etwa 75 kV betragen.
Im Stand der Technik ist es üblich, das Fokussieren und/oder Ablenken des Elektronenstroms mittels Magnetfelder zu realisieren, die mittels einer entsprechenden Magnetfeldeinheit bereitgestellt werden. Zum Unterbrechen des Bereitstellens von Röntgenstrahlung ist es bisher üblich, die wenigstens eine Gitterelektrode mit einem geeigneten elektrischen Potential zu beaufschlagen, sodass zwischen der Gitterelektrode und der Kathodenelektrode eine Gitter-Kathoden-Spannung auftritt, die zum Beispiel in einem Bereich von etwa wenigen hundert Volt bis etwa 4 kV liegen kann. Bei einer derartigen Gitter-Kathoden-Spannung kann ein Abschnüren des Elektronenstroms in der Röntgenröhre erreicht werden, sodass im Wesentlichen keine Elektronen die Anodenelektrode mehr erreichen können. Die Gitter-Kathoden-Spannung, bei der dieser Effekt auftritt, wird gelegentlich auch Abschnürspannung genannt. In der Regel ist das elektrische Potential der Gitterelektrode gegenüber dem elektrischen Potential der Kathodenelektrode negativ. Darüber hinaus ist in der Regel das elektrische Potential der Anodenelektrode gegenüber der Kathodenelektrode positiv.
Der Bereich der Anodenelektrode, in dem die Elektronen während des Erzeugens von Röntgenstrahlung im Wesentlichen auftreffen, auch Brennfleck genannt, ist vorteilhaft an jeweilige Betriebsarten, insbesondere in Bezug auf das jeweilige bildgebende Verfahren anzupassen. Dadurch kann für eine jeweilige Anwendung eine jeweilige Bildqualität erreicht werden. Zu diesem Zweck kann eine geeignete Fokussierung eingestellt werden, oder es kann auch beispielsweise ein Kompromiss in Bezug auf eine Bildqualität und eine möglichst geringe Belastung der Röntgenröhre eingestellt werden.
Bei vielen Röntgengeräten, insbesondere bei Angiographie, ist dies mit Magnetfeldeinheiten aufgrund der erforderlichen Baugröße in der Regel nur schwer realisierbar. Es gibt daher Bestrebungen, das Fokussieren zumindest teilweise nicht mehr mittels Magnetfelder, sondern durch ein Fokussieren mittels elektrischer Felder zu realisieren. In diesem Zusammenhang offenbart die US 4,361,901 ein Mehrspannungsröntgenschaltsystem. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die wenigstens eine Gitterelektrode, die beispielsweise zumindest teilweise zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode und/oder zumindest teilweise auch neben der Kathodenelektrode angeordnet sein kann, mit einem geeigneten elektrischen Potential zum Fokussieren zu beaufschlagen. Insofern umfasst der Begriff „zwischen“ vorzugsweise auch eine Anordnung der Gitterelektrode zumindest teilweise in einem Bereich neben der Kathodenelektrode. So kann die Gitterelektrode Begrenzungsbleche neben der Kathodenelektrode, Stege zwischen einer segmentiert ausgebildeten Kathodenelektrode und/oder dergleichen aufweisen. Eine derartige Lehre zeigt zum Beispiel die DE 10 2007 042 108 A1 , die eine Elektronenquelle offenbart.
Auch wenn sich diese Lehren im Stand der Technik grundsätzlich bewährt haben, verbleibt jedoch zumindest ein Problem beim Entladen eines in der Regel vergleichsweise langen Hochspannungskabels zum Ansteuern der Röntgenröhre beim Umschalten von der Abschnürspannung auf eine vorgebbare Gitter-Kathoden-Spannung zum Fokussieren des Elektronenstroms.
Bei den vorgenannten Lehren wird die Funktion des Abschnürens des Elektronenstroms zum Beispiel durch einen Spannungswandler mit einer galvanischen Trennung zum Realisieren einer Potentialtrennung realisiert, zu welchem Zweck zum Beispiel ein entsprechend ausgebildeter Transformator vorgesehen sein kann, und mit dem die erforderliche Abschnürspannung schnell bereitgestellt werden kann. Mittels eines Kurzschlussschaltelements kann die Gitter-Kathoden-Spannung schnell reduziert werden, beispielsweise auf etwa null, wodurch auch ein Entladen einer parasitären Kapazität des Anschlusskabels erreicht werden kann. Bei diesem Schaltungskonzept ist eine Ist-Wert-Rückmeldung aufgrund des erforderlichen technischen Aufwands in der Regel nicht realisiert, weshalb die Gitter-Kathoden-Spannung nur mit einer geringen Genauigkeit bereitgestellt werden kann. Für die Abschnürung des Elektronenstroms ist es im Wesentlichen ausreichend, mindestens die Abschnürspannung zu erreichen und zugleich die Isolationsfestigkeit des Systems einzuhalten. Eine Regelung für ein ausreichend genaues Einstellen der Gitter-Kathoden-Spannung, insbesondere für ein Fokussieren des Elektronenstroms in der Röntgenröhre, ist hiermit jedoch nicht möglich.
In Bezug auf das Fokussieren mittels eines elektrischen Feldes wurde der vorgenannte Spannungswandler ebenfalls schon eingesetzt. Da an einem Ausgangsanschluss des Spannungswandlers in der Regel eine passive Gleichrichterschaltung vorgesehen ist, kann die Gitter-Kathoden-Spannung nur langsam verändert werden. Eine Zeitkonstante kann unter anderem von einer Gitter-Kathoden-Kapazität sowie auch einem parallel hierzu angeschlossenen Entladewiderstand abhängig sein. Hierdurch kann jedoch nur eine ungenaue Einstellung des Gitterpotentials erreicht werden. Darüber hinaus kann die Entladung mit einem Entladewiderstand entweder zu langen Zeitkonstanten beim Entladen, insbesondere bei einem großen Widerstandswert des Entladewiderstands, oder zu hohen Verlustleistungen im Entladewiderstand führen, wenn die Abschnürspannung anliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzung der Gitterelektrode nicht nur für ein Abschnüren des Elektronenstroms, sondern insbesondere auch zum Fokussieren des Elektronenstroms zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Schaltungsanordnung sowie ein Röntgengerät gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass das erste elektrische Gitterpotential mittels eines einstellbaren Spanungsteilers der Fokussiereinheit bereitgestellt wird, der einstellbare Spanungsteiler mittels einer Steuerschaltung der Fokussiereinheit eingestellt wird, indem die Steuerschaltung mit wenigstens einem galvanisch getrennten Steuersignal einer von der Röntgenröhre galvanisch getrennten Steuereinheit beaufschlagt wird, wobei das Steuersignal von einem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt, und eine elektrische Leistung des Energiewandlers abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Fokussiereinheit einen einstellbaren Spanungsteiler und eine Steuerschaltung zum Steuern des einstellbaren Spanungsteilers aufweist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, wenigstens ein galvanisch getrenntes Steuersignal für die Steuerschaltung bereitzustellen, welches von einem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, den einstellbaren Spanungsteiler abhängig von dem wenigstens einen Steuersignal einzustellen, wobei die Steuereinheit ferner ausgebildet ist, die elektrische Leistung des Energiewandlers abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential einzustellen.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Röntgengerät wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Röntgengerät eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung aufweist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, insbesondere bei Einstellungen in Bezug auf den Fokussierbetrieb ein schnelles Anpassen des elektrischen Gitterpotentials zu ermöglichen. Insbesondere nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass eine parasitäre elektrische Kapazität eines Anschlusskabels, mit dem die Fokussiereinheit mit der Röntgenröhre elektrisch gekoppelt ist, umzuladen beziehungsweise zu entladen. Die Fokussiereinheit soll durch ihre Konstruktion das aktive Umladen beziehungsweise Entladen der Gitterkapazität beziehungsweise der Gitter-Kathoden-Kapazität sowie auch der Kapazität des Anschlusskabels unterstützen, sodass die Zeitkonstante bei einem Potentialwechsel, insbesondere im Rahmen des Fokussierbetriebs, reduziert werden kann. Zu diesem Zweck nutzt die Fokussiereinheit den einstellbaren Spannungsteiler, mit dem die gewünschte vorteilhafte Wirkung erreicht werden kann. Der einstellbare Spannungsteiler ermöglicht es nämlich, das Umladen beziehungsweise Entladen der parasitären Kapazitäten wie zuvor genannt, zu verbessern, insbesondere zu beschleunigen. Beispielsweise kann eine Zeitkonstante bei einem Wechsel von einem Abschnüren des Elektronenstroms zu einem Fokussieren des Elektronenstroms und damit ein Einfluss dieses Potentialwechsels auf Eigenschaften des Brennflecks, reduziert werden. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere in Bezug auf eine Regelung der Gitter-Kathoden-Spannung beziehungsweise des Gitterpotentials, die Fokussiereinheit an ein elektrisches Potential der Kathodenelektrode zu koppeln, wodurch eine genauere Fokussierung des Elektrodenstroms in der Röntgenröhre erreicht werden kann. Die Nutzung von magnetischen Ablenkungen sowie die hiermit einhergehenden Nachteile können weitgehend vermieden werden. Insbesondere kann die für eine magnetische Ablenkung erforderliche Baulänge reduziert werden, weil die Elektronen nicht mehr durch ein Magnetfeld fliegen brauchen. Eine Kapazitive Fokussierung kann mit einem vorhandenen Fokussierelement im Bereich der Kathodenelektrode, beispielsweise einem Wehnelt-Zylinder, erfolgen, weshalb die Baulänge verkürzt werden kann. Die Erfindung berücksichtigt dabei beispielsweise die eingangs erwähnten Konstruktionen und/oder Eigenschaften.
Darüber hinaus kann ein Regeln auch beim Sperrbetrieb beziehungsweise das Abschnüren des Elektronenstroms realisiert werden, bei der eine elektrische Spannung begrenzt bleiben kann, um die Spannungsbeanspruchung von Bauteilen zu begrenzen.
Um für den einstellbaren Spannungsteiler einen stabilen Betrieb in Zusammenhang mit dem Energiewandler erreichen zu können, wird mittels der Steuereinheit die elektrische Leistung des Energiewandlers abhängig von dem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Abschnürpotential beziehungsweise die Abschnürspannung direkt durch den Energiewandler bereitgestellt wird. Dagegen kann das Fokussierpotential beziehungsweise die Fokussierspannung mittels der Fokussiereinheit bereitstellt sein, die hierzu einen einstellbaren Spannungsteiler nutzen kann. Die Fokussiereinheit kann hierzu vom Energiewandler mit elektrischer Energie versorgt werden. Darüber hinaus ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Energiewandler im Fokussierbetrieb nicht auf das Gitterpotential beziehungsweise die Gitterspannung regelt, um eine Mitkopplung zu vermeiden. Der Energiewandler kann hinsichtlich der bereitzustellenden Leistung abhängig von einem aktuell bereitzustellenden Gitterpotential eingestellt werden, sodass ein zuverlässiger Betrieb der Fokussiereinheit im jeweiligen Betriebszustand zuverlässig gewährleistet werden kann. Dadurch kann zum Beispiel eine Verlustleistung der Fokussiereinheit, insbesondere des Spannungsteilers geringgehalten werden. Das Einstellen der Leistung kann auch zumindest teilweise ein Einstellen einer durch den Energiewandler bereitgestellten elektrischen Spannung aufweisen. Der Energiewandler braucht daher nur so viel elektrische Leistung bereitzustellen, dass die Fokussiereinheit das einzustellende Gitterpotential auch zuverlässig einzustellen vermag. Dies kann eine Einstellreserve umfassen.
Der Energiewandler ist vorzugsweise ein elektrischer Energiewandler, der eine energietechnische Kopplung zwischen wenigstens zwei elektrischen Netzen bereitstellt. Der Energiewandler, gelegentlich auch Energieumformer genannt, kann dazu ausgebildet sein, die elektrischen Netze galvanisch getrennt zu koppeln. Der Energiewandler dient dazu, elektrische Energie einer ersten Form in elektrische Energie wenigstens einer zweiten Form umzuwandeln. Der Energiewandler kann ausgebildet sein, eine Energiewandlung nur unidirektional zu realisieren. Er kann aber auch ausgebildet sein, eine Energiewandlung zumindest teilweise beziehungsweise zeitweise bidirektional zu realisieren.
Vorliegend wird die Fokussiereinheit durch den Energiewandler galvanisch getrennt mit elektrischer Energie versorgt. Dadurch kann die mit der Gitterelektrode und der Kathodenelektrode elektrisch gekoppelte Fokussiereinheit potentialfrei mittels des Energiewandlers mit elektrischer Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb versorgt werden. Die Fokussiereinheit kann folglich Teil eines ersten elektrischen Netzes sein. Eine die erforderliche elektrische Energie bereitstellende Energiequelle kann folglich Teil eines zweiten elektrischen Netzes sein. Das erste und das zweite elektrische Netz können mittels des Energiewandlers gekoppelt sein. Dadurch ist es möglich, dass ein erstes elektrisches Bezugspotential des ersten elektrischen Netzes von einem zweiten elektrischen Bezugspotential des zweiten elektrischen Netzes verschieden ist. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Anodenelektrode mit einem elektrischen Erdpotential elektrisch gekoppelt ist, wobei die Kathodenelektrode in der Regel mit einem erheblich niedrigeren elektrischen Potential im bestimmungsgemäßen Betrieb beaufschlagt ist. Dadurch kann eine günstige Energieversorgung insbesondere für die Fokussiereinheit erreicht werden. Durch die galvanische Trennung kann der Energiewandler zumindest die Fokussiereinheit elektrisch potentialfrei mit elektrischer Energieversorgen. Die Leistung des Energiewandlers wird vorzugsweise nicht unmittelbar durch die Fokussiereinheit gesteuert. Vielmehr erfolgt die Leistungseinstellung des Energiewandlers vorzugsweise durch die Steuereinheit. Dabei kann die Steuereinheit insbesondere die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Fokussiereinheit aktuell erforderliche Leistung berücksichtigen und die Leistung des Energiewandlers abhängig hiervon einstellen. Insbesondere kann die Leistung des Energiewandlers unmittelbar von der Steuereinheit eingestellt werden.
Dem Grunde nach gilt dies natürlich vorzugsweise gleichermaßen auch für eine etwaige separate Heizenergiequelle, die dazu dienen kann, eine Heizung der Kathodenelektrode mit elektrischer Energie zu versorgen. Die heizenergiequelle ist daher vorzugsweise ebenfalls potentialfrei ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Heizenergiequelle einen galvanisch getrennt ausgebildeten elektrischen Heizenergiewandler aufweisen. Der beziehungsweise die Energiewandler können beispielsweise elektrische Energie aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder einem elektrischen Energiespeicher beziehen. Potentialfrei meint vorliegend insbesondere, dass keine elektrische Verbindung zu anderen elektrischen Potentialen der Schaltungsanordnung vorzuliegen braucht.
Die Steuersignale können unter Nutzung von Trennübertragern, Trenntransformatoren, Optokopplern und/oder dergleichen galvanisch getrennt übertragen werden. Dadurch kann eine signaltechnische Kopplung zwischen einer Signalquelle, beispielsweise einer Steuereinheit, und einer Signalsenke, beispielsweise der Fokussiereinheit, potentialfrei realisiert werden.
Elektrische Potentiale der Röntgenröhre sind von elektrischen Potentialen der Steuereinheit vorzugsweise elektrisch getrennt, um die galvanische Trennung zu realisieren.
Der einstellbare Spannungsregler kann zum Beispiel eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand und einem hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit einstellbaren elektronischen Bauteil aufweisen, wobei die Gitterelektrode der Röntgenröhre mit einem Mittelanschluss der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt ist. Der elektrische Widerstand kann dem Grunde nach natürlich auch durch eine Konstantstromschaltung ergänzt beziehungsweise ersetzt sein. Der einstellbare Spannungsregler kann dem Grunde nach beispielsweise wenigstens ein einstellbares resistives Element aufweisen, insbesondere das vorgenannte elektronische Bauteil, beispielsweise einen Transistor, der im Linearbetrieb betrieben wird, oder dergleichen. Dadurch ist es möglich, unter Nutzung der durch den Energiewandler bereitgestellten elektrischen Energie die gewünschte Gitter-Kathoden-Spannung beziehungsweise das gewünschte elektrische Gitterpotential zum Fokussieren des Elektronenstroms bereitstellen zu können. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Fokussieren des Elektronenstroms mittels der Fokussiereinheit, insbesondere der Steuerschaltung, geregelt wird. Dadurch kann auch bei variierenden Betriebsbedingungen eine im Wesentlichen konstante Einstellung zum Erzeugen der Röntgenstrahlung erreicht werden.
Zu diesem Zweck kann die Steuerschaltung eine entsprechende Regelschaltung aufweisen, die mit einem geeigneten Messsensor gekoppelt ist. Der Messsensor kann zum Beispiel die emittierte Röntgenstrahlung erfassen und ein geeignetes Sensorsignal für die Steuerschaltung beziehungsweise die Schaltungsanordnung bereitstellen. Die Steuerschaltung beziehungsweise die Schaltungsanordnung kann dieses Sensorsignal auswerten und das Einstellen des elektrischen Gitterpotentials abhängig hiervon vornehmen. In diesem Fall kann das Steuersignal beispielsweise ein Soll-Wert für das erste elektrische Gitterpotential sein. Durch die Reihenschaltung kann eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden, weil die gewünschte Funktion mit nur wenigen elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauteilen realisiert werden kann. Die Fokussiereinheit, insbesondere deren Steuerschaltung, kann mit der Steuereinheit kommunikationstechnisch beziehungsweise signaltechnisch gekoppelt sein und von dieser das wenigstens eine Steuersignal erhalten.
Der Wert für das erste vorgegebene Gitterpotential kann von einer übergeordneten Steuerung des Röntgengeräts bereitgestellt sein. Dieser Wert kann von einem zu untersuchenden Objekt, welches mit der durch die Röntgenröhre freigesetzten Röntgenstrahlung beaufschlagt wird, abhängig sein.
Vorzugsweise weist die Fokussiereinheit einen Vorwiderstand beziehungsweise Shunt zum elektrischen Koppeln mit dem Energiewandler auf. Der Vorwiderstand kann der vorgenannte elektrische Widerstand des einstellbaren Spannungsreglers sein, der beispielsweise zum Transistor der Fokussiereinheit in Reihe geschaltet ist. Der Vorwiderstand kann es ermöglichen, die Fokussiereinheit in einen vorgebbaren definierten Betriebszustand zu bringen, sodass bei hoher Zuverlässigkeit eine genaue Regelung des elektrischen Gitterpotentials der Gitterelektrode erreicht werden kann.
Die Fokussiereinheit umfasst also wenigstens den einstellbaren Spannungsteiler sowie die den einstellbaren Spannungsteiler einstellende Steuerschaltung hierzu. In der Regel ist die Fokussiereinheit mit elektrischen Potentialen der Röntgenröhre zumindest teilweise galvanisch gekoppelt. Dies gilt insbesondere für die Gitterelektrode, mit der sie elektrisch gekoppelt ist, um das gewünschte elektrische Gitterpotential einstellen zu können.
Die Steuerschaltung ist vorzugsweise eine elektronische Hardwareschaltung, die zumindest teilweise auch eine programmgesteuerte Rechnereinheit aufweisen kann. Die Steuerschaltung stellt die gewünschte Funktionalität bereit, um den einstellbaren Spannungsteiler derart einzustellen, dass zumindest das erste elektrische Gitterpotential, vorzugsweise entsprechend des mit dem Steuersignal übermittelten Werts für das erste elektrische Gitterpotential, eingestellt werden kann. Dieses Einstellen kann besonders bevorzugt auch ein Regeln umfassen, welches beispielsweise ein Erfassen des elektrischen Gitterpotentials aufweisen kann. Dieses erfasste Gitterpotential kann mit dem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential gemäß dem Steuersignal verglichen werden. Abhängig von dem Vergleich kann dann der einstellbare Spannungsteiler eingestellt werden. Dem Grunde nach kann jedoch auch eine regelungslose Steuerung des einstellbaren Spannungsteilers vorgesehen sein. In diesem Fall kann ergänzend die Möglichkeit vorgesehen sein, eine Regelungsfunktionalität durch Erfassen des Brennflecks mittels eines geeigneten Sensors und eines entsprechenden vorgegebenen Vergleichswerts zu realisieren, wobei dann das Steuersignal abhängig von diesem Vergleich ermittelt wird. Weitere Ausgestaltungen und Kombinationen sind denkbar.
Die elektrische Leistung des Energiewandlers wird abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt. Damit kann für die Fokussiereinheit die erforderliche elektrische Energie bereitgestellt werden, sodass sie die erforderliche Einstellung am einstellbaren Spannungsteiler realisieren kann und insbesondere gewährleisten kann, dass das elektrische Gitterpotential an der Gitterelektrode im Wesentlichen dem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential entspricht. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass der Wert für das erste elektrische Gitterpotential durch die Steuereinheit ausgewertet wird und ein entsprechendes Energiewandlersignal bereitgestellt wird, welches zum Einstellen der zu wandelnden Leistung des Energiewandlers benutzt werden kann. Der Energiewandler ist entsprechend ausgebildet, sodass er die gewandelte Leistung abhängig von dem Energiewandlersignal einstellt.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, die Funktion der Schaltungsanordnung und infolgedessen auch die Funktion des Röntgengeräts deutlich zu verbessern, und zwar insbesondere in Bezug auf das Fokussieren des Elektronenstroms unter Nutzung von mittels der wenigstens einen Gitterelektrode bewirkten elektrischen Felden. Die aufwendige Nutzung von Magnetfeldern kann dadurch deutlich reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass eine elektrische Leistung des Energiewandlers ergänzend abhängig von wenigstens einer elektrischen Leistung, einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom der Fokussiereinheit gewählt wird, die beziehungsweise den die Fokussiereinheit für das Bereitstellen des ersten elektrischen Gitterpotentials benötigt. Dadurch kann eine bedarfsgerechte Energieversorgung der Fokussiereinheit erreicht werden. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die elektrische Leistung des Energiewandlers abhängig vom elektrischen Strom der Fokussiereinheit gewählt wird. Dadurch kann insbesondere eine Überversorgung und/oder eine Unterversorgung der Fokussiereinheit mit elektrischer Energie weitgehend vermieden werden. Besonders die Nutzung des einstellbaren Spannungsteilers kann bei voneinander unabhängigen Regelungen für den einstellbaren Spannungsteiler und den Energiewandler dazu führen, dass aufgrund einer Mitkopplung beispielsweise eine obere Spannungsgrenze für die Bereitstellung des Gitterpotentials erreicht wird oder es besonders im Bereich des einstellbaren Spannungsteilers zu einer großen Verlustleistung kommen kann. Im umgekehrten Fall kann es bei einer zu geringen Ausgangsspannung für das elektrische Potential der Gitterelektrode dazu kommen, dass das Gitterpotential dann nicht mehr den vorgegebenen Wert erreicht. Mit dieser Weiterbildung kann diese Problematik noch besser reduziert werden. Aus den fokussiereinheitsseitigen Größen kann nämlich der aktuelle Energiebedarf beziehungsweise die aktuelle Leistung ermittelt werden, sodass der Energiewandler entsprechend gesteuert werden kann. Dadurch kann eine gute zuverlässige Abstimmung zwischen der Energieversorgung der Fokussiereinheit und dem Energiebedarf für den bestimmungsgemäßen Betrieb erreicht werden. Der entsprechende Leistungsbedarf der Fokussiereinheit kann anhand von Datentabellen, Messwerten, dem wenigstens einen vorgegebenen Wert des ersten elektrischen Gitterpotentials und/oder dergleichen ermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Leistung des Energiewandlers unter Nutzung eines Kennfeldes ermittelt wird. Der Energiewandler wird also nicht - wie im Stand der Technik üblich - so betrieben, dass er ausgangsseitig eine einstellbar konstante elektrische Spannung bereitstellt, sondern vielmehr derart, dass abhängig vom Betrieb der Fokussiereinheit ein Sollwert für die vom Energiewandler insbesondere bereitgestellte elektrische Spannung entnommen wird, der unter Berücksichtigung einer Regelreserve der Fokussiereinheit für einen zuverlässigen Betrieb der Fokussiereinheit sorgen kann. Dieser Sollwert kann dem Kennfeld, beispielsweise einer Kennlinie oder dergleichen, entnommen werden. Das Kennfeld kann zum Beispiel in Form einer Datei vorliegen, in der abhängig von einem jeweiligen diskreten Betriebszustand der Fokussiereinheit erforderliche Betriebswerte des Energiewandlers, beispielsweise die durch den Energiewandler bereitgestellte Ausgangsspannung oder dergleichen zugeordnet gespeichert sind. Insgesamt kann dadurch die erfindungsgemäße Verfahrensführung weiter verbessert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die elektrische Leistung des Energiewandlers ferner abhängig von einer für den einstellbaren Spannungsteiler vorgegebenen Einstellreserve ermittelt wird. Die Einstellreserve dient dazu, einen Überschusswert der elektrischen Leistung beziehungsweise elektrischen Energie anzugeben, der bereitgestellt werden soll, um den einstellbaren Spannungsteiler mit hoher Dynamik bedarfsgerecht einstellen zu können, ohne dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand des einstellbaren Spannungsteilers zu verlassen. Dabei berücksichtigt diese Weiterbildung, dass das Einstellen des einstellbaren Spannungsteilers mit einer sehr großen Geschwindigkeit erfolgen kann gegenüber den Stellen des Energiewandlers. Es ist dadurch möglich, die Zeitkonstante in Bezug auf das Einstellen des einstellbaren Spannungsteilers von der Zeitkonstante des Leistungseinstellens des Energiewandlers weitgehend zu entkoppeln. Die Einstellreserve kann als prozentualer Ergänzungswert oder auch als Toleranzband in Bezug auf einen vorgegebenen Wert vorgegeben sein.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Energiewandler in einem Betriebsmodus betrieben wird, in dem der Energiewandler fokussiereinheitsseitig einen einstellbar konstanten elektrischen Strom bereitstellt. Hierdurch kann der eingangs erläuterte Mitkopplungseffekt verbessert unterdrückt werden. Der Betriebsmodus kann einem Stromquellenmodus entsprechen, bei dem der bereitgestellte Strom durch die Steuereinheit eingestellt wird. Dadurch kann eine gute regelungstechnische Entkopplung von der Funktion der Steuerschaltung erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelten Spannungswandler und einen galvanisch trennenden Resonanzwandler aufweist, wobei der Resonanzwandler eingangsseitig mit dem Spanungswandler und ausgangsseitig zumindest mit der Fokussiereinheit elektrisch gekoppelt ist, wobei ein Eingangsstrom des Resonanzwandlers abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird. Durch diese Maßnahme kann das Fokussieren und/oder Abschnüren des Elektronenstroms weiter verbessert werden. Der Spannungswandler kann als DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Je nach Bedarf kann der Spannungswandler zum Beispiel als Hochsetzsteller (Booster) oder auch als Tiefsetzsteller (Buck) ausgebildet sein.
Natürlich sind auch Kombinationen hiervon denkbar, beispielsweise um einen weiten Eingangsspannungsbereich durch den Spannungswandler realisieren zu können. Darüber hinaus kann eingangsseitig unter Umständen ergänzend auch eine Gleichrichtung vorgesehen sein, um eine Energieversorgung aus einer Wechselspannungsquelle - wie zum Beispiel einem öffentlichen Energieversorgungsnetz - zu ermöglichen. Die energiewandlerseitige Steuerung beziehungsweise Regelung ist somit nicht mehr spannungsbasiert, sondern vorteilhaft zumindest teilweise strombasiert. Zum Zwecke der Steuerung beziehungsweise Regelung kann vorgesehen sein, dass der Eingangsstrom des Resonanzwandlers mittels eines geeigneten Stromsensors erfasst wird, der ein entsprechendes Stromsensorsignal für die Steuereinheit bereitstellt. Die Steuereinheit kann dieses Stromsensorsignal auswerten und den Energiewandler, und zwar insbesondere den Spannungswandler, entsprechend steuern. Der Resonanzwandler kann dem Grunde nach auch durch einen anderen galvanisch trennenden Energiewandler gebildet sein.
Der galvanisch trennende Energiewandler wird vom Spannungswandler mit elektrischer Energie versorgt, indem der Spannungswandler hierfür eine Gleichspannung bereitstellt. Sowohl der Spannungswandler als auch der galvanisch trennende Energiewandler werden vorzugsweise durch die Steuereinheit gesteuert. Zum Beispiel kann mittels der Steuereinheit die vom Spannungswandler bereitgestellte Gleichspannung eingestellt, insbesondere geregelt, werden. Hierzu kann die bereitgestellte Gleichspannung mittels eines Spannungssensors erfasst und ein entsprechendes Spannungssignal an die Steuereinheit übermittelt werden. Der galvanisch trennende Energiewandler ist vorzugsweise als galvanisch trennender Resonanzwandler ausgebildet. Ist der galvanisch trennende Energiewandler durch einen Resonanzwandler gebildet, kann zu diesem Zweck zumindest ein Teil einer Resonanzinduktivität von einem Transformator bereitgestellt sein, der als Trenntransformator ausgebildet ist. Ein Resonanzkreis ist zum Beispiel an wenigstens einer Halbbrückenschaltung angeschlossen, mittels der der bestimmungsgemäße Resonanzbetrieb erreicht werden kann. Die Funktionen des Spannungswandlers und des galvanisch trennende Energiewandlers, insbesondere des Resonanzwandlers, sind dem Fachmann bekannt, weshalb von weiteren detaillierten Erläuterungen hierzu vorliegend abgesehen wird.
Durch die Kombination des Spannungswandlers mit dem Resonanzwandler sind viele unterschiedliche Betriebsmodi möglich, die es erlauben, die Funktion der Schaltungsanordnung bedarfsgerecht für eine jeweilige spezifische Betriebssituation anzupassen. So ist es beispielsweise möglich, einen jeweiligen der Wandler nicht nur hinsichtlich der bereitgestellten Spannung, sondern auch hinsichtlich des bereitgestellten Stroms zu steuern. Dies kann beispielsweise mithilfe der Steuereinheit erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass für den Eingangsstrom ein minimaler Stromwert und ein maximaler Stromwert vorgegeben wird, der Eingangsstrom erfasst und mit wenigstens dem minimalen oder dem maximalen Stromwert verglichen wird, und abhängig von dem Vergleichen die von dem Spannungswandler für den Resonanzwandler bereitgestellte elektrische Spannung eingestellt wird. Durch diese Weiterbildung ist es möglich, eine Toleranzbandregelung zu realisieren. Die Abweichung des minimalen Stromwerts beziehungsweise des maximalen Stromwerts von einem vorgegebenen mittleren Wert kann für den minimalen Stromwert und den maximalen Stromwert gleich gewählt sein. Natürlich ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt und es können auch unterschiedliche Differenzen zu dem mittleren Wert vorgesehen sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht es ferner, eine Toleranzbandregelung zu realisieren. Sollte für die Fokussiereinheit, insbesondere für den einstellbaren Spannungsteiler, eine zu geringe Versorgungsspannung bereitgestellt werden, könnte der Strom durch den Spannungsteiler null werden. Damit wäre auch der Eingangsstrom des Resonanzwandlers null. Die kaskadierte Regelung kann nun jedoch so ausgeführt werden, dass die durch den Spannungswandler bereitgestellte elektrische Spannung vergrößert wird. Es wird daher nicht mehr auf die durch den Spannungswandler bereitgestellte elektrische Spannung, sondern vielmehr auf den elektrischen Strom geregelt. Wird hingegen unter Wirkung der oben beschriebenen Mitkopplung die elektrische Spannung und damit auch der Eingangsstrom vergrößert, würde in entsprechender Weise der maximale Eingangsstrom durch die kaskadierte Regelung begrenzt. Insgesamt kann hierdurch eine zuverlässige Regelung beziehungsweise Steuerung mit geringem Aufwand erreicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass eine Frequenz des Steuersignals vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt und die Steuerschaltung den vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential aus der Frequenz des Steuersignals ermittelt. Durch diese Ausgestaltung kann auf einfache Weise der Wert für das erste elektrische Gitterpotential von der Steuereinheit an die Steuerschaltung übermittelt werden, damit die Steuerschaltung den einstellbaren Spannungsteiler entsprechend einstellen kann. Das Steuersignal ist in diesem Fall vorzugsweise ein elektrisches Wechselspannungssignal, dessen Frequenz durch die Steuereinheit eingestellt werden kann. Dadurch, dass das Steuersignal ein Wechselspannungssignal ist, kann es mittels eines galvanisch trennenden Übertragers beziehungsweise Transformators galvanisch getrennt an die Steuerschaltung beziehungsweise die Fokussiereinheit übertragen werden. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, das elektrische Gitterpotential gemäß dem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential einstellen zu können.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Fokussiereinheit bei einer vorgegebenen, insbesondere einer vorgegebenen minimalen oder maximalen, Frequenz deaktiviert wird. Ein Deaktivieren der Fokussiereinheit umfasst insbesondere zumindest den Zustand, dass das Gitterpotential gegenüber einem elektrischen Potential der Kathodenelektrode so negativ ist, dass der Elektronenstrom abgeschnürt ist. In diesem Betriebszustand der Röntgenröhre wird im Wesentlichen keine Röntgenstrahlung abgegeben. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zur Fokussiereinheit eine Schalteinheit vorgesehen ist, die ebenso wie die Fokussiereinheit vom Energiewandler mit elektrischer Energie versorgt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Schalteinheit und die Fokussiereinheit in Reihe geschaltet sind, um die gewünschte Funktionalität realisieren zu können. Beispielsweise kann ferner vorgesehen sein, dass bei einer Frequenz des Steuersignals, die kleiner als die vorgegebene minimale Frequenz ist, die Schalteinheit ein Deaktivieren der Fokussiereinheit ermöglicht und die Gitterelektrode mit einem elektrischen Gitterpotential wie zuvor erläutert beaufschlagt. Dem Grunde nach kann etwas vergleichbares in dualer Weise auch für eine maximale Frequenz vorgesehen sein. Eine Steuercharakteristik kann dazu zum Beispiel invertiert vorgesehen sein. Natürlich kann dieses Gitterpotential auch durch die Zusammenwirkung der Fokussiereinheit mit der Schalteinheit realisiert sein. Die Schalteinheit kann zumindest teilweise auch von der Fokussiereinheit umfasst sein. Insgesamt kann das Betreiben der Röntgenröhre weiter verbessert werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Fokussiereinheit bei einer vorgegebenen, insbesondere einer vorgegebenen minimalen oder maximalen, Frequenz derart gesteuert wird, dass sowohl Schalteinheit als auch der Transistor zum Bereitstellen eines Gitterkurzschlusses im eingeschalteten Schaltzustand betrieben werden. Dadurch kann ein dritter Betriebszustand erreicht werden, bei dem die Gitterelektrode kurzgeschlossen werden kann. Dadurch kann das Abschnüren des Elektronenstroms sowie auch das Fokussieren des Elektronenstroms deaktiviert werden. Der Transistor wird hierfür vorzugsweise in einem Schaltbetrieb betrieben, der von einem Linearbetrieb abweicht.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass ein Ausgangsstrom des Spannungswandlers abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird. Diese Weiterbildung nutzt das Betreiben des Energiewandlers unter Nutzung einer Stromquellencharakteristik. Dies kann insbesondere für den Fokussierbetrieb separat eingestellt werden. Außerhalb des Fokussierbetriebs kann dagegen die gewöhnliche Steuerung des Energiewandlers, insbesondere durch Bereitstellen einer vorgegebenen elektrischen Spannung, erfolgen. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, eine Taktfrequenz des Resonanzwandlers zu verändern, um den Resonanzwandler, insbesondere wenn es sich um einen LLCC-Resonanzwandler handelt, in der entsprechenden Resonanz zu betreiben. Bei dieser Resonanzfrequenz ist ein Ausgangsstrom in der Regel lastunabhängig, insbesondere im Wesentlichen nur durch eine Schwingkreisinduktivität und die Eingangsspannung des Resonanzwandlers bestimmt. Dadurch kann sowohl der Spannungswandler als auch der Resonanzwandler gesteuert betrieben werden, weil sich infolge der Stromquellencharakteristik in der Regel immer eine geeignete, ausreichend große Ausgangsspannung für die Fokussiereinheit einstellt. Dadurch kann auch eine ausreichende Regelreserve für den einstellbaren Spannungsteiler bis zu einer maximalen Beanspruchung erreicht werden.
Es wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass der Resonanzwandler eine zwei Halbbrückenschaltungen aufweisende Vollbrückenschaltung aufweist, wobei während des Fokussierbetriebs zumindest zeitweise eine der beiden Halbbrückenschaltungen aktiviert und die andere der beiden Halbbrückenschaltungen deaktiviert ist. Damit kann zum Beispiel eine Transformator-Primärspannung etwa halbiert werden, was besonders in Bezug auf die deutlich kleinere Fokussierspannung von Vorteil ist. Ein Deaktivieren einer Halbbrückenschaltung meint insbesondere, dass diese Halbbrückenschaltung nicht aktiv an der Energiewandlung beteiligt ist. Vorzugsweise ist sie vollständig abgeschaltet. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die deaktivierte Halbbrückenschaltung beispielsweise einen Strompfad für einen Freilaufstrom oder dergleichen bereitstellt, ohne jedoch hier mit Takten einzugreifen. Das heißt, Schaltelemente dieser deaktivierten Halbbrückenschaltung werden nicht mit entsprechenden Schaltsignalen beaufschlagt.
Die Halbbrückenschaltungen weisen jeweils zwei in Serie geschalteten Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter auf, mittels welchen die vom Spannungswandler bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt werden kann. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Vollbrückenschaltung genannt. Die Halbbrückenschaltungen sind endseitig parallelgeschaltet und werden gegenphasig betrieben.
Ein Halbleiterschalter im Sinne dieser Offenbarung ist ein vorzugsweise steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metaloxid Semiconductor Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), vorzugsweise mit integrierten Freilaufdioden, oder dergleichen.
Der Mittelanschluss einer Halbbrückenschaltung ist ein Anschluss, der mit dem Verbindungspunkt der in Serie geschalteten Halbleiterschalter elektrisch leitend verbunden ist. Im Wechselrichterbetrieb wird an diesem Mittelanschluss üblicherweise die gewandelte Wechselspannung bereitgestellt.
Der Schaltbetrieb des Halbleiterschalters in Form eines Transistors bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den die Schaltstrecke bildenden Anschlüssen ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschalters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher an der Schaltstrecke anliegender Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich in Linearbetrieb.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung eine Schalteinheit aufweist, die ausgebildet ist, die wenigstens eine Gitterelektrode in einem ersten Schaltzustand mit dem ersten, den Elektronenstrom fokussierenden elektrischen Gitterpotential und in einem zweiten Schaltzustand mit einem zweiten elektrischen Gitterpotential zum Abschnüren des Elektronenstroms zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode zu beaufschlagen. Diese Weiterbildung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass es möglich ist, durch eine geeignete Kombination der Schalteinheit mit der Fokussiereinheit die Möglichkeit zu schaffen, die Gitter-Kathoden-Spannung beziehungsweise das elektrische Gitterpotential der Gitterelektrode schnell von einer Abschnürspannung beziehungsweise einem Abschnürpotential auf eine vorgebbare Fokussierspannung beziehungsweise ein vorgebbares Fokussierpotential umzuschalten und/oder umgekehrt. Dabei kann die Fokussiereinheit ergänzend dazu genutzt werden, die parasitäre elektrische Kapazität des Anschlusskabels und/ oder Gitterelektrode umzuladen beziehungsweise zu entladen. Durch das aktive Umladen der Gitterkapazität beziehungsweise Gitter-Kathoden-Kapazität sowie der Kapazität des Anschlusskabels durch die Schalteinheit und die Fokussiereinheit kann eine Zeitkonstante bei einem Wechsel von Abschnüren des Elektronenstroms zu Fokussieren des Elektronenstroms beziehungsweise umgekehrt und damit ein Einfluss des Schaltwechsels auf Eigenschaften des Brennflecks reduziert werden. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere in Bezug auf eine Regelung der Gitter-Kathoden-Spannung beziehungsweise des Gitterpotentials, die Fokussiereinheit an ein elektrisches Potential der Kathodenelektrode zu koppeln, wodurch eine genauere Fokussierung des Elektronenstroms in der Röntgenröhre erreicht werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es diese Weiterbildung, die Schaltungsanordnung auf einfache Weise in ein Röntgengerät zu integrieren. Bauraum und Kosten können durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingespart werden.
Die Schalteinheit könnte dem Grunde nach ein oder mehrere geeignete elektromechanische Schaltelemente aufweisen, um die gewünschte Schaltfunktion zu realisieren. In der Regel weist die Schalteinheit unter anderem zum Beispiel aus Gründen der Schaltgeschwindigkeit jedoch ein oder mehrere elektronische Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschaltelemente, auf, mittels denen die gewünschte Schaltfunktion der Schalteinheit realisiert werden kann. Die Schaltelemente können zum Beispiel durch Transistoren, Thyristoren, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen gebildet sein. Für die vorgesehene Anwendung kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass mehrere elektronische Schaltelemente in Reihe geschaltet im Wesentlichen synchron betrieben werden. Dadurch kann auch mit elektronischen Schaltelementen, die lediglich für einen Teil der auftretenden Spannung ausgebildet sind, ein Betrieb mit einer deutlich größeren als der maximal zulässigen Betriebsspannung eines jeweiligen Schaltelements erreicht werden. Die Schalteinheit stellt wenigstens einen ersten Schaltzustand bereit, bei dem die Gitterelektrode mit dem ersten, den Elektronenstrom freigebenden elektrischen Gitterpotential beaufschlagt wird, und zwar vorzugsweise das Gitterpotential, welches durch die Fokussiereinheit bereitgestellt wird. In einem zweiten Schaltzustand der Schalteinheit kann die wenigstens eine Gitterelektrode mit einem zweiten elektrischen Gitterpotential zum Abschnüren des Elektronenstroms zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck kann die Schalteinheit mit dem Energiewandler elektrisch gekoppelt sein, wobei die Schalteinheit den Energiewandler mit der Röntgenröhre derart koppelt, dass der Energiewandler mindestens die Abschnürspannung zwischen der Gitterelektrode und der Kathodenelektrode bereitstellt. Dies kann durch die Reihenschaltung der Schalteinheit mit der Fokussiereinheit erreicht werden.
Dadurch, dass die Schalteinheit und die Fokussiereinheit vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, kann wenigstens das zweite elektrische Gitterpotential von der Fokussiereinheit bereitgestellt werden. Dadurch kann die Fokussiereinheit einen jeweiligen Schaltwechsel der Schalteinheit unterstützen, wodurch die Funktionalität zuverlässiger realisiert werden kann.
Zum Fokussieren kann eine Gitter-Kathoden-Spannung in einem Bereich von etwa null bis etwa 500 V vorgesehen sein. Diese Spannung kann ebenfalls durch den als Betriebsspannungsquelle fungierenden Energiewandler bereitgestellt sein. Zu diesem Zweck kann die Fokussiereinheit die durch den Energiewandler bereitgestellte Spannung beispielsweise entsprechend anpassen.
Die Steuerschaltung ist vorzugsweise an das wenigstens eine Schaltelement, insbesondere an das wenigstens eine Halbleiterschaltelement, der Schalteinheit angeschlossen. Die Schalteinheit braucht keine eigene Kommunikationsschnittstelle aufzuweisen, mittels der sie mit der Steuereinheit in Kommunikationsverbindung steht. Dadurch kann mittels der Steuerschaltung auch ein Schaltwechsel der Schalteinheit gesteuert werden.
Die Steuereinheit kann weitere Funktionen übernehmen beziehungsweise bereitstellen, insbesondere in Bezug auf die Fokussierspannung, die Abschnürspannung, das Bereitstellen einer Betriebsspannung durch den Energiewandler und/oder dergleichen. Die Steuereinheit kann von der Schaltungsanordnung elektrisch isoliert ausgebildet sein und ist vorzugsweise galvanisch getrennt an diese angeschlossen. Die Steuereinheit selbst kann als separate Baueinheit vorgesehen sein. Vorzugsweise ist sie jedoch Bestandteil der Schaltungsanordnung und besonders bevorzugt in diese integriert angeordnet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei der vorgenannten drei Betriebszustände zumindest teilweise statisch bereitgestellt werden. Dies ermöglicht einen besonders schnellen Wechsel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Betriebszuständen. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Weiterbildung, wenn zwischen dem Betriebszustand Fokussieren und dem Betriebszustand Abschnüren gewechselt werden soll.
Die während des Wechselns beim Stand der Technik auftretenden Probleme in Bezug auf einen undefinierten Brennfleck des Elektronenstroms können weitgehend reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden, werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie das mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgerüstete Röntgengerät und umgekehrt. Verfahrensmäßig formulierte Merkmale können somit auch vorrichtungsmäßig formuliert sein und umgekehrt.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Röntgengeräts mit einer an eine Schaltungsanordnung angeschlossenen Röntgenröhre, wobei von der Schaltungsanordnung ein Ausschnitt einer Gitteransteuerung der Röntgenröhre dargestellt ist;
2 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Schaltungsanordnung inklusive des Ausschnitts gemäß 1;
3 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Schaltungsanordnung gemäß 2 in einem ersten Betriebszustand;
4 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Schaltungsanordnung gemäß 2 in einem ersten Betriebszustand;
5 eine schematische Diagrammdarstellung von elektrischen Spannungen der Schaltungsanordnung im ersten Betriebszustand;
6 eine schematische Diagrammdarstellung eines durch einen Energiewandler der Schaltungsanordnung gemäß 2 bereitgestellten Versorgungsstroms im ersten Betriebszustand;
7 eine schematische Diagrammdarstellung der elektrischen Spannungen gemäß 5 im ersten Betriebszustand;
8 eine schematische Diagrammdarstellung des Versorgungsstroms gemäß 6 im ersten Betriebszustand;
9 eine schematische Diagrammdarstellung der elektrischen Spannungen gemäß 4 im ersten Betriebszustand; und
10 eine schematische Diagrammdarstellung des Versorgungsstroms gemäß 6 im ersten Betriebszustand.

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Ausschnitt eines Röntgengeräts 10 mit einer Röntgenröhre 12, die eine Anodenelektrode 14 und eine Kathodenelektrode 16 aufweist, die in einem evakuierten Gefäß angeordnet sind. Zwischen der Anodenelektrode 14 und der Kathodenelektrode 16 ist eine Gitterelektrode 18 angeordnet. Die Anodenelektrode 14 ist mit einem Anschluss 52, die Gitterelektrode mit einem Anschluss 50 und die Kathodenelektrode 16 mit zwei Anschlüssen 46, 48 elektrisch verbunden. Die Kathodenelektrode 16 weist zu Beheizungszwecken zwei Anschlüsse auf, nämlich die Anschlüsse 46 und 48, über die die Kathodenelektrode 16 elektrisch mit einer Energie versorgt werden kann, um die Kathodenelektrode 16 im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine vorgebbare Temperatur aufzuheizen, damit die gewünschte Elektronenemission erreicht werden kann. Zu diesem Zweck sind die Anschlüsse 46, 48 mit einer elektrischen Heizenergiequelle 54 elektrisch verbunden.
Die Anschlüsse 48, 52 sind ferner elektrisch mit einer Spannungsquelle 56 verbunden, die eine Anoden-Kathoden-Spannung 72 bereitstellt, die im Wesentlichen auch zwischen der Kathodenelektrode 16 und der Anodenelektrode 14 anliegt. Ein Anodenpotential der Anodenelektrode 14 ist in der Regel größer als ein Kathodenpotential der Kathodenelektrode 16.
Abhängig von einem elektrischen Gitterpotential an der Gitterelektrode 18 werden aus einem Kathodenmaterial der Kathodenelektrode 16 austretende Elektronen einen Elektronenstrom 26 bildend zur Anodenelektrode 14 beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anodenelektrode 14, die in der Regel als rotierende Elektrode ausgebildet ist, wird Röntgenstrahlung erzeugt und durch die Röntgenröhre 12 abgegeben.
Durch das Gitterpotential an der Gitterelektrode 18 kann die Funktion der Röntgenröhre 12 beeinflusst werden. So ist es einerseits möglich, die Gitterelektrode 18 mit einem zweiten elektrischen Gitterpotential zu beaufschlagen, mit welchem ein Abschnüren des Elektronenstroms 26 zwischen der Anodenelektrode 14 und der Kathodenelektrode 16 erreicht werden kann. Das zweite elektrische Gitterpotential wird auch als Abschnürpotential bezeichnet. Entsprechend ergibt sich eine Gitter-Kathoden-Spannung, die demzufolge als Abschnürspannung bezeichnet wird. Die Abschnürspannung kann bei Röntgenröhren beispielsweise in einem Bereich von etwa null bis etwa 4 kV liegen. In der vorliegenden Ausgestaltung liegt die Abschnürspannung bei mehr als etwa 500 V, beispielsweise etwa 3,5 kV oder sogar mehr. Ein Übergangsbereich zwischen Fokussieren und Abschnüren ist unerwünscht, weil er zu einem undefinierten Brennfleck und zu einem undefinierten Elektronenstrom in der Röntgenröhre 12 führen kann.
In der Regel ist das Gitterpotential zumindest für das Abschnüren des Elektronenstroms 26 negativ gegenüber dem Kathodenpotential der Kathodenelektrode 16.
Das zweite elektrische Gitterpotential wird in der Regel so gewählt, dass ein sicheres zuverlässiges Abschnüren des Elektronenstroms 26 erreicht werden kann, ohne eine elektrische Isolation im Röntgengerät 10 zu beschädigen. In vielen Fällen beträgt die maximal zulässige Gitter-Kathoden-Spannung etwa 4 kV, weshalb das Röntgengerät 10 mit seinen Komponenten für diese Spannung entsprechend ausgebildet ist.
Während des Abschnürens des Elektronenstroms 26 wird im Wesentlichen keine Röntgenstrahlung erzeugt, weil der Elektronenstrom 26 im Wesentlichen unterdrückt ist.
Darüber hinaus kann die Gitterelektrode 18 mit einem ersten elektrischen Gitterpotential beaufschlagt werden, welches ein Freigeben, insbesondere Fokussieren, des Elektronenstroms 26 erlaubt. Eine entsprechende Gitter-Kathoden-Spannung wird auch als Fokussierspannung bezeichnet. Mit der Fokussierspannung ist es möglich, nicht nur den Elektronenstrom 26, vorzugsweise gesteuert, freizugeben, sondern zugleich auch das Fokussieren des Elektronenstroms 26 in Bezug auf das Auftreffen auf die Anodenelektrode 14 zu steuern. Dadurch kann zum Beispiel in vorgebbarer Weise ein Brennfleck 58 auf der Anodenelektrode 14 erreicht werden. Dadurch kann das Erzeugen von Röntgenstrahlung über einen weiten Bereich beeinflusst werden.
An die elektrischen Anschlüsse 46, 48, 50 ist ein erster Anschluss an einer Anschlussleitung 20 angeschlossen. Ein gegenüberliegender Anschluss der Anschlussleitung 20 ist an elektrische Anschlüsse 60, 62, 64 angeschlossen. Die Anschlussleitung 20 umfasst insbesondere das Hochspannungskabel der die Gitterspannung beeinflussenden Leitungskapazität 66. Die elektrischen Anschlüsse 46, 48, 50, 52 sind vorliegend die röhrenseitigen Anschlüsse. Die elektrischen Anschlüsse 60, 62, 64 sind vorliegend die generatorseitigen Anschlüsse.
An die elektrischen Anschlüsse 60, 62 ist die Heizenergiequelle 54 angeschlossen. An die elektrischen Anschlüsse 62, 64 ist eine Schaltungsanordnung 22 angeschlossen, mittels der das elektrische Gitterpotential für die Gitterelektrode 18 in vorgebbarer Weise bereitgestellt werden kann. In 1 ist lediglich ein Ausschnitt der Schaltungsanordnung 22 dargestellt. Eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Schaltungsanordnung 22 ergibt sich aus den im Folgenden noch erläuterten 2 bis 4.
Darüber hinaus ist aus 1 ersichtlich, dass die Anschlussleitung 20 eine Leitungskapazität aufweist, die in der 1 symbolisch durch einen Kondensator 66 dargestellt ist. Der Kondensator 66 umfasst ferner eine Gitter-Kathoden-Kapazität der Röntgenröhre 12, die in der 1 jedoch nicht weiter dargestellt ist. Die Kapazität 66 hängt unter anderem von einer Länge des Kabels ab und kann zum Beispiel einen Kapazitätswert von etwa 4 nF aufweisen. Für das Steuern der Röntgenröhre in Bezug auf das Abschnüren des Elektronenstroms 26 sowie das Fokussieren des Elektronenstroms 26 nur über die Gitterelektrode 18 ist dies, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, relevant.
Für das Fokussieren wird vorliegend eine Gitter-Kathoden-Spannung von etwa null bis etwa 500 V benötigt. Je nach Konstruktion der Röntgenröhre 12 kann diese Spannung auch abweichend sein, ebenso wie die Abschnürspannung.
Zum Bereitstellen des Gitterpotentials weist die Schaltungsanordnung 22 eine Energieversorgung auf, die im Folgenden noch weiter erläutert wird und in 1 lediglich schematisch mit 38 bezeichnet ist. Die Energieversorgung 38 weist einen Innenwiderstand 68 auf, über den Elemente und Baugruppen der Schaltungsanordnung 22 mit elektrischer Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb versorgt werden.
Die Schaltungsanordnung 22 weist ferner eine Fokussiereinheit 24 auf, die in Reihe zu einer Schalteinheit 28 geschaltet ist. Diese Reihenschaltung aus der Fokussiereinheit 24 und der Schalteinheit 28 ist über den Innenwiderstand 68 an die Energieversorgung 38 angeschlossen und wird von dieser mit einer Betriebsspannung beaufschlagt.
Die Schalteinheit 28 stellt vorliegend zwei Schaltzustände bereit, nämlich einen eingeschalteten Schaltzustand als ersten Schaltzustand und einen ausgeschalteten Schaltzustand als zweiten Schaltzustand. Der eingeschaltete Schaltzustand entspricht der Funktion Fokussieren und ist mit dem ersten Betriebszustand der obigen Beschreibung korrespondierend. Im eingeschalteten Schaltzustand liegt die Betriebsspannung im Wesentlichen an der Fokussiereinheit 24 an. Die Fokussiereinheit 24 stellt, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, eine Gitter-Kathoden-Spannung bereit, die es erlaubt, den Elektronenstrom 26 in vorgebbarer Weise fokussieren zu können.
Im zweiten Schaltzustand der Schalteinheit 28, in dem die Schalteinheit 28 im ausgeschalteten Schaltzustand ist, ist die Fokussiereinheit 24 im Wesentlichen deaktiviert, sodass zwischen der Gitterelektrode 18 und der Kathodenelektrode 16 etwa die Betriebsspannung der Energieversorgung 38 bereitgestellt wird. Dabei ist zu beachten, dass in diesem Betriebszustand zumindest in einem eingeschwungenen Zustand im Wesentlichen kein elektrischer Strom fließt. Wenn also die Betriebsspannung etwa 3,5 kV beträgt, so liegt diese Betriebsspannung im ausgeschalteten Schaltzustand der Schalteinheit 28 auch zwischen der Gitterelektrode 18 und der Kathodenelektrode 16 an. Diese Spannung ist vorliegend negativ in Bezug auf die Kathodenelektrode 16, damit das Gitterpotential kleiner als das Kathodenpotential ist. In diesem Schaltzustand wird folglich ein Abschnüren des Elektronenstroms 26 erreicht, sodass im Wesentlichen keine Elektronen mehr die Anodenelektrode 14 erreichen und somit das Erzeugen von Röntgenstrahlung im Wesentlichen unterbrochen ist.
Im ersten Schaltzustand der Schalteinheit 28, nämlich dem eingeschalteten Schaltzustand, wird die Fokussiereinheit 24 mit der Betriebsspannung beaufschlagt. Die Fokussiereinheit 24 stellt dann ein entsprechendes erstes elektrisches Gitterpotential bereit, damit nicht nur der Elektronenstrom 26 freigegeben wird, sondern auch eine entsprechende vorgebbare Fokussierung des Elektronenstroms 26 beim Auftreffen auf die Anodenelektrode 14 erreicht werden kann.
Zu diesem Zweck umfasst die Fokussiereinheit 24 zumindest eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand 30, der zugleich auch als ein Vorwiderstand in Bezug auf Anschließen der Energieversorgung 38 dienen kann, und einem Transistor 32, der vorliegend durch einen Feldeffekttransistor, und zwar einen selbstsperrenden n-Kanal MOSFET gebildet ist. Dadurch ist ein einstellbarer Spannungsteiler bereitgestellt. Je nach Ausgestaltung kann hier jedoch auch ein anderer Transistor zum Einsatz kommen, insbesondere auch ein bipolarer Transistor.
Der Transistor 32 weist vorliegend einen Gate-Anschluss auf, der nicht bezeichnet ist und der an eine in 1 schematisch angedeutete Steuerschaltung 40 angeschlossen ist, die den Gate-Anschluss mit einem vorgebbaren elektrischen Gate-Potential beaufschlagt, sodass an einem Mittelanschluss 34 dieser Reihenschaltung im Wesentlichen das elektrische Gitterpotential gemäß einem vorgebbaren Wert für ein erstes elektrisches Gitterpotential bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zweck wird der Transistor 32 in einem Linearbetrieb betrieben, sodass sich am Mittelanschluss 34 abhängig von der jeweiligen Einstellung des Gate-Potentials am Transistor 32 das jeweilige Gitterpotential einstellen kann. Wie aus der Darstellung in der 1 ersichtlich ist, wird durch das Einschalten der Schalteinheit 28 die Fokussiereinheit 24 aktiviert und durch das Ausschalten deaktiviert. Im Deaktivierten Betriebszustand der Fokussiereinheit 24 entspricht das Abschnürpotential folglich einem vorgebbaren Wert für ein zweites elektrisches Gitterpotential.
2 zeigt die Schaltungsanordnung 22 nun in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Schaltungsanordnung 22 neben den bereits anhand von 1 erläuterten Elementen beziehungsweise Baugruppen ferner den Energiewandler 38 umfasst, der der Energieversorgung insbesondere der Fokussiereinheit 24 dient. Zu diesem Zweck ist der Energiewandler 38 als galvanisch getrennter Energiewandler ausgebildet, um die mit dem Gitterpotential und dem Kathodenpotential der Röntgenröhre 12 elektrisch gekoppelte Fokussiereinheit 24 und die Schalteinheit 28 mit Energie versorgen zu können. Zu diesem Zweck ist der Energiewandler 38 an eine Gleichspannungsquelle 80 angeschlossen. Die Gleichspannungsquelle 80 kann ihrerseits aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgt sein.
Der Energiewandler 38 ist an eine Steuereinheit 74 angeschlossen, die entsprechende Steuersignale für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Energiewandlers 38 bereitstellt. Die Steuereinheit 74 ist ferner kommunikationstechnisch an eine übergeordnete Steuerung 90 gekoppelt, über die Betriebswerte, insbesondere ein Wert für das erste elektrische Gitterpotential vorgegeben werden kann.
Darüber hinaus ist ein Hilfswandler 82 vorgesehen, der ebenfalls von der Gleichspannungsquelle 80 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Hilfswandler 82 ist ebenfalls an die Steuereinheit 74 angeschlossen und wird von dieser mit entsprechenden nicht bezeichneten Steuersignalen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mitversorgt. Der Hilfswandler 82 dient zum galvanisch getrennten Bereitstellen von zwei Steuersignalen 42, 44, die zum Steuern der Steuerschaltung 40 dienen. Eines der Steuersignale 42 dient dazu, die Steuerschaltung 40 mit elektrischer Energie zu versorgen, wohingegen ein zweites der Steuersignale, und zwar das Steuersignal 44 dazu dient, wenigstens einen Betriebswert für die Steuerschaltung 40 und die durch die Steuerschaltung 40 gesteuerten Einheiten, nämlich die Fokussiereinheit 24 sowie die Schalteinheit 28, zu steuern. Dies wird im Folgenden noch weiter erläutert werden.
Der Energiewandler 38 weist vorliegend einen Spannungswandler 76 auf, der eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle 80 elektrisch verbunden ist. Ausgangsseitig ist an den Spannungswandler 76 ein Resonanzwandler 78 angeschlossen, der galvanisch getrennt eine elektrische Energieversorgung für die Fokussiereinheit 24 und die Schalteinheit 28 bereitstellt. Zu diesem Zweck weist der Resonanzwandler 38 einen Wechselrichter 96 auf, der vorliegend aus zwei Halbbrückenschaltungen gebildet ist, die einen Resonanzkreis betreiben, dessen Induktivität zumindest teilweise durch eine Primärseite eines als Trenntransformator ausgebildeten Transformators 98 gebildet ist. Sekundärseitig ist der Transformator 98 an einen Gleichrichter 100 angeschlossen, der eine entsprechende Gleichspannung für die Fokussiereinheit 24 und die Schalteinheit 28 bereitstellt. Eine Spannungserfassungseinheit 84 erfasst die vom Spannungswandler 76 bereitgestellte gewandelte Spannung und liefert ein entsprechendes Spannungssignal an die Steuereinheit 74. Die Steuereinheit 74 liefert ebenfalls für den Wechselrichter 96 entsprechende Steuersignale, sodass der gewünschte Wandlerbetrieb des Resonanzwandlers 78 erreicht werden kann.
Der Transformator 98 umfasst ferner eine nicht weiter dargestellte Hilfswicklung, die an eine Transformatorerfassungseinheit 86 angeschlossen ist, die ein entsprechendes Transformatorsignal an die Steuereinheit 74 liefert.
Der Hilfswandler 82 umfasst vorliegend einen an die Gleichspannungsquelle 80 angeschlossenen Hilfswechselrichter 88, sowie einen an den Hilfswechselrichter 88 angeschlossenen Hilfstransformator 92. Der Hilfstransformator 92 ist ebenfalls als Trenntransformator ausgebildet und mit seiner Primärwicklung an den Hilfswechselrichter 88 angeschlossen. Eine Sekundärwicklung des Hilfstransformators 92 ist an einen Gleichrichter 94 angeschlossen, der die Steuersignale 42, 44 für die Steuerschaltung 40 bereitstellt. Wie bereits erläutert, dient das Steuersignal 42 der Energieversorgung der Steuerschaltung 40, wohingegen das Steuersignal 44 entsprechende Steuerwerte, beispielsweise einen vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential der Gitterelektrode 18, liefert. Vorliegend ist vorgesehen, dass der vorgegebene Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängig von der Frequenz des Steuersignals 44 ist. Solange die Frequenz des Steuersignals 44 größer als ein vorgegebener minimaler Frequenzwert ist, ist die Schalteinheit 28 durch die Steuerschaltung 40 im eingeschalteten Schaltzustand geschaltet. Zugleich wird der Transistor 32 durch die Steuerschaltung 40 abhängig von der Frequenz hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit eingestellt, sodass an den Anschlüssen 62, 64 entsprechend dem Wert für das erste elektrische Gitterpotential eine Gitter-Kathoden-Spannung bereitgestellt wird. Der Hilfswechselrichter 88 wird daher von der Steuereinheit 74 entsprechend gesteuert, sodass mittels des Gleichrichters 94 die entsprechenden Steuersignale 42, 44 bereitgestellt werden können. Somit dient der Hilfswandler 82 nicht nur als Energiewandler für die Steuerschaltung 40 und damit insbesondere für die Fokussiereinheit, der eine potentialfreie Energieversorgung zur Verfügung stellt, sondern der Hilfswandler 82 dient zugleich auch noch als galvanisch trennender Signal-übertrager. Durch die Art des Steuerns des Hilfswechselrichters 88 durch die Steuereinheit 74, beispielsweise durch Anwenden einer geeigneten Modulation, kann somit zugleich eine Signalfunktionalität zur Übertragung von Daten beziehungsweise Signalen realisiert werden, wodurch erreicht werden kann, Daten beziehungsweise Signale entsprechend dem Steuersignal 44 zu übertragen. Dadurch ist die Steuereinheit 74 elektrisch potentialgetrennt von der Steuerschaltung 40, insbesondere der Fokussiereinheit. Zugleich kann potentialgetrennt ein Steuersignal zur Steuerschaltung 40 übertragen werden. Das Steuersignal 42 ist hier folglich ein Energiesignal, welches im Wesentlichen zur Energieversorgung der Steuerschaltung 40 dient.
Eine elektrische Potentialtrennung 102 ist in 2 dargestellt, die durch die Transformatoren 92, 98 realisiert ist. Dadurch ist unter anderem die Steuereinheit 74 von der Röntgenröhre 12 elektrisch getrennt.
Der Resonanzwandler 78 ist vorliegend als LLCC-Resonanzwandler ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein anderer Resonanzwandlertyp beziehungsweise ein galvanisch trennender Energiewandler vorgesehen sein. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt.
2 zeigt die Schaltungsanordnung 22 inklusive des Ausschnitts gemäß 1. Die Steuerschaltung 40 erhält einen Sollwert für das Gitterpotential und einen Schaltzustand für die Schalteinheit 28 von der Steuereinheit 74. Die Einheiten sind vorliegend unabhängig voneinander betrieben. Beide realisieren eine entsprechende Regelungsfunktionalität. Die Steuereinheit 74 steuert beziehungsweise regelt den Energiewandler 38, wobei die Steuereinheit 74 entsprechende Steuerbefehle und Daten von einer übergeordneten Steuerung 90 erhält. Eine Kommunikationsverbindung zwischen der übergeordneten Steuerung 90 und der Steuereinheit 74 ist vorliegend als unidirektionale Kommunikationsverbindung ausgebildet. Jedoch braucht die Erfindung darauf nicht beschränkt zu sein. Vielmehr kann die Kommunikationsverbindung auch bidirektional ausgebildet sein.
Die Steuerschaltung 40 übernimmt die Funktionalität des Einstellens des einstellbaren Spannungsteilers 36, und steuert entsprechend den Transistor 32 an. Die entsprechenden Sollwerte und Schaltzustände werden von der Steuereinheit 74 über den Hilfswandler 82 an die Steuerschaltung 40 übermittelt. Dabei können grundsätzlich zwei Betriebszustände unterschieden werden, und zwar vorliegend ein erster Betriebszustand, bei dem die Schalteinheit 28 im eingeschalteten Schaltzustand ist und damit die Schaltungsanordnung 22 in einem Fokussierbetrieb, bei dem mittels der Fokussiereinheit 24 das Gitterpotential der Gitterelektrode 18 entsprechend dem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird, der als Sollwert von der Steuereinheit 74 an die Steuerschaltung 40 übermittelt worden ist. Die Steuerschaltung 40 stellt diesbezüglich eine Regelungsfunktionalität bereit und regelt das Gitterpotential der Gitterelektrode 18 entsprechend ein. Zugleich dient in der vorliegenden Ausgestaltung das Gitterpotential auch als elektrisches Bezugspotential der Fokussiereinheit. In alternativen Ausgestaltungen kann dies variieren und zum Beispiel auch das Kathodenpotential als elektrisches Bezugspotential gewählt sein. Die Funktion der Erfindung ist jedoch hiervon unabhängig.
In einem zweiten Betriebszustand, auch als Gittersperren bezeichnet, ist die Schalteinheit 28 von der Steuerschaltung 40 in den ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet, sodass die Gitterelektrode 18 dem Abschnürpotential beaufschlagt wird. Diese Betriebszustände werden mittels des Steuersignals 44 durch die Steuerschaltung 40 eingestellt.
Im zweiten Betriebszustand, wie er auch anhand von 3 dargestellt ist, ist die Fokussiereinheit 24 deaktiviert und die Schalteinheit 28 im ausgeschalteten Schaltzustand. Es findet keine Beeinflussung des Gitterpotentials hochspannungsseitig statt. In diesem Betriebszustand ist die Gitter-Kathoden-Spannung abhängig von der durch den Energiewandler 38 bereitgestellten Spannung, die abhängig von der Ausgangsspannung des Spannungswandlers 76 ist. Der Spannungswandler 76 kann in diesem Betriebszustand ungeregelt betrieben werden. Eine Regelung kann dagegen unter Berücksichtigung der von der Hilfswicklung des Transformators 98 über die Transformatorerfassungseinheit 86 bereitgestellten Spannung erfolgen. Diese Größe kann eine Ist-Größe bereitstellen, die mit einer Stellgröße verglichen wird, die durch die Ausgangsspannung des Spannungswandlers 76 bereitgestellt ist.
In diesem Betriebszustand wird der Resonanzwandler 78 mit einer festen Frequenz im LLCC-Arbeitspunkt mit einem spannungssteifen Ausgang betrieben. Die Erfassung des Ist-Wertes für die Regelung des elektrischen Gitterpotentials in diesem Betriebszustand erfolgt über die Messung der Spannung an einer an der primärseitigen Hilfswicklung des Transformators 98. Durch die magnetische Kopplung zwischen der Sekundärwicklung des Transformators 98 und der Hilfswicklung kann die Gitter-Kathoden-Spannung mithilfe einer Auswertung abgebildet werden. Somit ist es möglich, die Gitter-Kathoden-Spannung ohne eine unmittelbare elektrische Kopplung zur Hochspannungsseite primärseitig zu regeln.
Im Fokussierbetrieb beziehungsweise im ersten Betriebszustand unterscheidet sich die Situation dadurch, dass nun der einstellbare Spannungsteiler 36 sekundärseitig den Transformator 98 belastet. Wie bereits erläutert, wird mittels des einstellbaren Spannungsteilers 36 das elektrische Gitterpotential dadurch geregelt, dass durch den Transistor 32 durch Ändern seiner elektrischen Leitfähigkeit der Strom durch den einstellbaren Spannungsteiler 36 geändert wird. Bei einer Stromerhöhung erhöht sich Spannungsabfall am elektrischen Widerstand 30 sowie am Innenwiderstand 68. Je größer dieser Spannungsabfall wird, desto geringer wird die Gitter-Kathoden-Spannung am Ausgang des einstellbaren Spannungsteilers beziehungsweise am Mittelanschluss 34. Da die Hilfswicklung die sekundärseitige Spannung des Energiewandlers 38 annähernd abbildet, sinkt infolgedessen die hierbei erfasste elektrische Spannung. Dies wird unter Nutzung der Steuereinheit 74 ausgeregelt, wo die vom Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung wieder ansteigt. Die Steuerschaltung 40 wird durch entsprechendes Steuern des Transistors 32 reagieren, um die erhöhte Spannung auszuregeln. Hierdurch entsteht eine unerwünschte Mitkopplung die nicht nur eine hohe Verlustleistung, insbesondere im einstellbaren Spannungsteiler 36, sondern auch eine Überlastung bis hin zum Ausfall eines Bauteils zur Folge haben kann. Entsprechendes kann auch bei einer umgekehrten Regelungssituation auftreten.
Dieses Verhalten wird schematisch durch die schematischen Diagramme gemäß der 5 und 6 gezeigt. 5 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung von elektrischen Spannungen der Schaltungsanordnung 22 in diesem ersten Betriebszustand, wohingegen 6 eine entsprechende schematische Diagrammdarstellung eines Versorgungsabschnitts des in 1 dargestellten Ausschnitts der Schaltungsanordnung 22 im ersten Betriebszustand zeigt. In 5 ist die Ordinate der elektrischen Spannung und die Abszisse der Zeit zugeordnet. In 6 ist die Ordinate dem elektrischen Strom und die Abszisse der Zeit zugeordnet. Die Zeitachsen der 5 und 6 entsprechen einander. 5 und 6 gehören zusammen.
5 zeigt Spannungsverläufe, wohingegen 6 entsprechend zugehörige Stromverläufe zeigt. Hier kommt die Erfindung nicht zur Anwendung. Es wird die Ausgangsspannung des Transformators 98 geregelt (Graph 106), und zwar am Element mit dem Bezugszeichen 68 in 1. Hierbei handelt es sich vorliegend um die Streuinduktivität mit einem Drahtwiderstand des Transformators 98 (2). Ein Sollwert der Gitterspannung wird verringert. Dadurch erhöht die Regelungseinheit nach 1 den Strom durch Transistor 32 in 1 um den Spannungsabfall am Element 68 zu erhöhen. Daraus folgt, dass der Eingangsstrom steigt (6). Dadurch steigt die Eingangsspannung des Transformators 98 (entspricht transformierter Spannung beziehungsweise Bezugszeichen 38 in 1), wodurch sich eine Mittkopplung ergibt.
Wie aus den 5 und 6 ersichtlich ist, ist in einem Zeitraum von etwa 3 ms bis etwa 4 ms ein Betriebszustand eingestellt, bei dem die Gitter-Kathoden-Spannung etwa 250 V beträgt, welches mit einem Graphen 108 in 5 dargestellt ist. Die vor dem Innenwiderstand 68 bereitgestellte Spannung des Energiewandlers 38 beträgt hier etwa 500 V, was mit einem Graphen 104 dargestellt ist. Die elektrische Spannung über der Fokussiereinheit 24 in Reihe mit der Schalteinheit 28, die vorliegend im eingeschalteten Schaltzustand ist, beträgt etwa 300 V, was mit einem Graphen 106 dargestellt ist. Im Diagramm gemäß 6 ist für diesen Zeitraum ein elektrischer Strom von etwa 40 mA vorgesehen, der den einstellbaren Spannungsteiler 36 durchströmt. Dies ist mit einem Graphen 110 dargestellt.
Zum Zeitpunkt t=4 ms wird mittels des Steuersignals 44 der Sollwert für die Gitter-Kathoden-Spannung beziehungsweise das erste elektrische Gitterpotential geändert, und zwar auf eine Gitter-Kathoden-Spannung von etwa 150 V, wie dies anhand des Graphen 108 in 5 ersichtlich ist. Aufgrund der zuvor beschriebenen Mitkopplung wird nun die Steuereinheit 74 den Energiewandler 38 derart steuern, dass die von diesem bereitgestellte Spannung die höhere Belastung ausgleicht, sodass gemäß dem Graphen 106 eine weitgehend konstante Spannung bereitgestellt wird. Dazu wird die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung entsprechend erhöht, und zwar auf einen Wert von etwa 1000 V. Ab einem Zeitpunkt von etwa t=6,5 ms wird dann der Wert für das erste elektrische Gitterpotential wieder auf den vor dem Zeitpunkt t=4 ms angegebenen Wert zurückgestellt. Entsprechend ändern sich die elektrischen Spannungen gemäß der Graphen 104, 108. Aus 6 ist ersichtlich, dass in dem Bereich von t=4 ms bis t=6,5 ms ein elektrischer Strom von etwa 150 mA vorliegt. Dies führt in dem vorgenannten Zeitraum zu einer erheblichen Verlustleistung, die nicht nur durch den Energiewandler 38 bereitgestellt werden muss, sondern zugleich auch hochspannungsseitig, insbesondere durch den einstellbaren Spannungsteiler 36 abgeführt werden muss. Dies kann auch zu Defekten beziehungsweise Störungen führen. Im Folgenden wird ein Szenario beschrieben, welches diese Problematik reduziert beziehungsweise vermeidet.
Es kann ferner ein dritter Betriebszustand vorgesehen sein, bei dem sowohl die Schalteinheit 28 im eingeschalteten Schaltzustand ist als auch der Transistor 32 in einem Schaltbetrieb im eingeschalteten Schaltzustand betrieben ist. Dadurch kann die Gitterelektrode kurzgeschlossen werden.
Die 7 und 8 beziehen sich auf schematische Diagrammdarstellungen wie die 5 und 6, ebenfalls für den ersten Betriebszustand, und zwar mit Anwendung der Erfindung, bei dem die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung durch den Spannungswandler 76 fest eingestellt ist. Auch diese beiden Figuren gehören zusammen. Die Graphen beziehen sich wieder auf die gleichen Größen wie bereits zuvor zu den 5 und 6 erläutert. Wie aus den 7 und 8 ersichtlich ist, ist hier jetzt die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung durch die Steuereinheit 74 auf einen festen Wert von etwa 500 V fest eingestellt. Zum Zeitpunkt t=4 ms wird wieder der zu den 5 und 6 erläuterte Änderungszustand herbeigeführt. Aus den Darstellungen ergibt sich, dass die Gitter-Kathoden-Spannung entsprechend einstellt. Zugleich hiermit reduziert sich auch die Versorgungsspannung für den einstellbaren Spannungsteiler 36 um einen geringfügigen Wert. Zum Zeitpunkt von etwa t=6,5 ms wird die Änderung wieder zurückgestellt. Aus 8 ist ersichtlich, dass der Strom ebenfalls geringfügig ansteigt. Aus den 7 und 8 ist ersichtlich, dass mit Anwendung der Erfindung ein stabiles Betriebsverhalten ohne die große Verlustleistung gegenüber der in 5 und 6 dargestellten Anwendung beim ersten Betriebszustand realisiert werden kann.
Von der übergeordneten Steuerung 90 wird ein Wert für das erste elektrische Gitterpotential vorgegeben. Die Steuereinheit 74 stellt entsprechend eine Ausgangsspannung durch den Energiewandler 38 bereit. Darüber hinaus wird über den Hilfswandler 82 der vorgegebene Wert für das erste elektrische Gitterpotential an die Steuerschaltung 40 übermittelt. Anhand der Frequenz des Steuersignals 44 erkennt die Steuerschaltung 40 den Schaltzustand für die Schalteinheit 28 und schaltet diese in den eingeschalteten Schaltzustand. Die Steuerschaltung 40 erkennt, dass die Frequenz größer als eine vorgegebene minimale Frequenz ist, unterhalb der die Schalteinheit 28 im ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet werden soll. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine maximale Frequenz vorgegeben wird, bei deren Erfassung durch die Steuerschaltung 40 über die Schalteinheit 28 und den Transistor 32 unmittelbar mit dem elektrischen Kathodenpotential gekoppelt wird, wodurch nahezu ein Kurzschluss zwischen der Gitterelektrode 18 und der Kathode 16 erreicht werden kann. Zwischenwerte in Bezug auf die Frequenz können dann dazu genutzt werden, um einen jeweiligen Wert für das erste elektrische Gitterpotential zu bestimmen, indem ein jeweiliger Wert einer jeweiligen Frequenz zugeordnet wird.
Die Funktion dieses Schaltungsprinzips ist ferner ersichtlich durch die schematische Schaltbilddarstellung der Schaltungsanordnung 22 gemäß 3, bei der die Spannungserfassungseinheit 84 gegenüber dem ersten Betriebszustand gemäß 2 für den ersten Betriebszustand genutzt wird. Für den zweiten Betriebszustand wird hingegen die Einheit 86 genutzt. In einer alternativen Ausgestaltung zum zweiten Betriebszustand kann vorgesehen sein, dass ein Ausgangsstrom des Spannungswandlers 76 genutzt werden kann, um ein Kennfeld für eine Steuerung beziehungsweise Regelung zu vereinfachen. Hierbei kann eine Steuerung beziehungsweise Regelung auf Basis dieses Ausgangsstroms erfolgen.
Bei einer weiteren Alternative zum zweiten Betriebszustand können ein Minimalwert und ein Maximalwert für einen Eingangsstrom des Resonanzwandlers 78 vorgegeben sein. Hierauf basierend kann dann eine Toleranzbandregelung realisiert werden. Hierbei ist beispielsweise die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung für das Einstellen eines vorgegebenen Werts für das erste elektrische Gitterpotential durch den einstellbaren Spannungsteiler 36 zu klein, könnte aufgrund der Regelungsfunktionalität der Steuerschaltung 40 der Strom durch den Transistor 32 null werden. Damit könnte auch der Eingangsstrom des Resonanzwandlers 78 den Minimalwert unterschreiten. Hierbei ist vorgesehen, dass die Steuereinheit 74 die Regelung derart ausführt, dass die durch den Spannungswandler 76 bereitgestellte Spannung vergrößert wird. Es wird dann nicht mehr auf die Spannung, sondern stattdessen auf den Strom geregelt. Würde die vorgenannte Mitkopplung die durch den Energiewandler bereitgestellte Spannung und damit auch den Strom für den einstellbaren Spannungsteiler 36 vergrößern, würde in gleicher Weise der Maximalstrom begrenzt werden können. Insgesamt kann erreicht werden, dass zumindest im zweiten Betriebszustand bei Anwendung der Erfindung die Eingangsspannung des Transformators 98 im Wesentlichen stabil bleibt.
Die 9 und 10 zeigen in schematischen Diagrammdarstellungen wie die 5 und 6 die Situation für den ersten Betriebszustand gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wie im Folgenden erläutert wird. Die Bezugszeichen der Graphen der 9 und 10 entsprechen den jeweiligen Graphen der 5 und 6. Die Diagrammachsen entsprechen denen, wie sie bereits zu den 5 und 6 erläutert wurden. Auch diese beiden Figuren gehören zusammen. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist für den ersten Betriebszustand vorgesehen, dass zumindest im Fokussierbetrieb die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung auf einer Stromquellencharakteristik basiert. Dies kann durch geeignete Regelung mittels der Steuereinheit 74 erreicht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, eine Betriebsfrequenz beziehungsweise Taktrate des Resonanzwandlers 78 zu erhöhen, um diesen in der tatsächlichen Resonanz, insbesondere der LLCC-Resonanz, zu betreiben. Bei dieser Frequenz ist ein Ausgangsstrom des Resonanzwandlers 78 im Wesentlichen unabhängig von einer Belastung und nur durch eine Schwingkreisinduktivität sowie eine Eingangsspannung des Resonanzwandlers 78 bestimmt. Dadurch kann sowohl eine Regelung durch die Steuerung 74 als auch der Resonanzwandler selbst gesteuert betrieben werden, weil sich aufgrund der Stromquellencharakteristik immer eine geeignete, ausreichend hohe Spannung am Ausgang des Energiewandlers 38 einstellen kann. Dabei kann eine ausreichende Regelreserve für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Fokussiereinheit 24, insbesondere des einstellbaren Spannungsteilers 36 realisiert werden. Dies ist durch die schematische Blockschaltbilddarstellung gemäß 4 gezeigt, bei der die Transformatorerfassungseinheit 86 für den Fokussierbetrieb nicht genutzt zu werden braucht. Hierdurch kann die unerwünschte Mitkopplung vermieden werden.
Wie aus den 9 und 10 ersichtlich ist, ist der Strom gemäß dem Graphen 110 - unabhängig vom Durchführen der Änderungen in Bezug auf den Wert für das erste elektrische Gitterpotential nahezu unabhängig im Wesentlichen bei einem Wert von etwa 10 mA. Aus 9 ergibt sich, dass die entsprechenden Spannungen variiert werden. Gegenüber 5 ist ersichtlich, dass die durch den Energiewandler 38 bereitgestellte Spannung im Zeitraum von etwa 4 ms bis etwa 6,5 ms bei dem dritten Betriebszustand sogar kleiner ist als im Zeitraum vor t=4 Millisekunden. Dadurch kann ein bestimmungsgemäßer Betrieb mit besonders geringer Leistung erreicht werden. Dies ist für die Konstruktion der Schaltungsanordnung, insbesondere des Röntgengeräts 10 von Vorteil, weil einerseits gegenüber dem ersten Betriebszustand deutlich weniger Leistung benötigt wird und andererseits aufgrund der deutlich geringeren Leistung im bestimmungsgemäßen Betrieb die Komponenten günstiger und kompakter ausgebildet sein können.
Um hinsichtlich des bestimmungsgemäßen Betriebs weitere Vorteile erreichen zu können, kann vorgesehen sein, dass insbesondere der Wechselrichter 96 hinsichtlich seines Betriebsmodus dynamisch betrieben werden kann. Dabei kann berücksichtigt werden, dass die Abschnürspannung in der Regel in einem Bereich von mehreren Kilovolt liegt. Die Fokussierspannung im Fokussierbetrieb beträgt dagegen in der Regel lediglich einige 100 V. Daher kann es vorteilhaft sein, im Fokussierbetrieb eine der Halbbrückenschaltungen des Wechselrichters 96 zu deaktivieren. Damit kann das Spannungsübertragungsverhältnis des Resonanzwandlers 78 entsprechend reduziert, im Wesentlichen halbiert werden.
In einer alternativen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass zwei getrennte Wandler vorgesehen sind. Bei einem Wechsel zwischen dem Bereitstellen der Abschnürspannung und der Fokussierspannung kann zwischen Ausgängen der Wandler umgeschaltet werden. Damit können beispielsweise kurze Umschaltzeiten, insbesondere große Flankensteilheiten, zum Beispiel bei einem Umschalten von Fokussieren nach Sperren beziehungsweise Abschnüren des Elektronenstroms, realisiert werden. Eine Umschaltzeit von Sperren beziehungsweise Abschnüren des Elektronenstroms nach Fokussieren kann durch die Fokussiereinheit bestimmt sein. Jeder der Wandler kann für seinen Ausgangsspannungsbereich optimiert ausgebildet werden.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre (12), die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode (14) und einer Kathodenelektrode (16) angeordnete Gitterelektrode (18) aufweist, wobei - mittels einer Fokussiereinheit (24) ein Elektronenstrom (26) von der Kathodenelektrode (16) zur Anodenelektrode (14) fokussiert wird, indem die Fokussiereinheit (24) die Gitterelektrode (18) zumindest in einem Fokussierbetrieb mit einem ersten elektrischen Gitterpotential beaufschlagt, um den Elektronenstrom (26) zu fokussieren, - die Fokussiereinheit (24) mittels eines Energiewandlers (38) galvanisch getrennt mit elektrischer Energie versorgt wird, - das erste elektrische Gitterpotential mittels eines einstellbaren Spanungsteilers (36) der Fokussiereinheit (24) bereitgestellt wird, und - der einstellbare Spanungsteiler (36) mittels einer Steuerschaltung (40) der Fokussiereinheit (24) eingestellt wird, indem die Steuerschaltung (40) mit wenigstens einem galvanisch getrennten Steuersignal (42, 44) einer von der Röntgenröhre (12) galvanisch getrennten Steuereinheit (74) beaufschlagt wird, wobei das Steuersignal (42, 44) von einem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass - eine elektrische Leistung des Energiewandlers (38) abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Leistung des Energiewandlers (38) ergänzend abhängig von wenigstens einer elektrischen Leistung, einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom der Fokussiereinheit (24) gewählt wird, die beziehungsweise den die Fokussiereinheit (24) für das Bereitstellen des ersten elektrischen Gitterpotentials benötigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung des Energiewandlers (38) unter Nutzung eines Kennfeldes ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (38) in einem Betriebsmodus betrieben wird, in dem der Energiewandler (38) fokussiereinheitsseitig einen einstellbar konstanten elektrischen Strom bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung des Energiewandlers (38) ferner abhängig von einer für den einstellbaren Spanungsteiler (36) vorgegebenen Einstellreserve ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (38) einen mit einer elektrischen Energiequelle (80) gekoppelten Spannungswandler (76) und einen galvanisch trennenden Resonanzwandler (78) aufweist, wobei der Resonanzwandler (78) eingangsseitig mit dem Spanungswandler (76) und ausgangsseitig zumindest mit der Fokussiereinheit (24) elektrisch gekoppelt ist, wobei ein Eingangsstrom des Resonanzwandlers (78) abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Eingangsstrom ein minimaler Stromwert und ein maximaler Stromwert vorgegeben wird, der Eingangsstrom erfasst und mit wenigstens dem minimalen oder dem maximalen Stromwert verglichen wird, und abhängig von dem Vergleichen die von dem Spannungswandler (76) für den Resonanzwandler (78) bereitgestellte elektrische Spannung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz des Steuersignals (44) vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt und die Steuerschaltung (40) den vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential aus der Frequenz des Steuersignals (44) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (24) bei einer vorgegebenen, insbesondere einer vorgegebenen minimalen oder maximalen, Frequenz deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsstrom des Spannungswandlers (76) abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzwandler (78) zumindest während des Fokussierbetriebs stets im Resonanzbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzwandler (78) eine zwei Halbbrückenschaltungen aufweisende Vollbrückenschaltung aufweist, wobei während des Fokussierbetriebs zumindest zeitweise eine der beiden Halbbrückenschaltungen aktiviert und die andere der beiden Halbbrückenschaltungen deaktiviert ist.
Schaltungsanordnung (22) zum Betreiben einer Röntgenröhre (12), die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode (14) und einer Kathodenelektrode (16) angeordnete Gitterelektrode (18) aufweist, mit: - einer Fokussiereinheit (24) zum Fokussieren eines Elektronenstroms (26) von der Kathodenelektrode (16) zur Anodenelektrode (14), wobei die Fokussiereinheit (24) ausgebildet ist, die Gitterelektrode (18) zumindest in einem Fokussierbetrieb mit einem ersten elektrischen Gitterpotential zu beaufschlagen, um den Elektronenstrom zu fokussieren, - einem Energiewandler (38) zum galvanisch getrennten Versorgen der Fokussiereinheit (24) mit elektrischer Energie, und - einer von der Röntgenröhre (12) galvanisch getrennten Steuereinheit (74) zum Einstellen einer elektrischen Leistung des Energiewandlers (38), wobei die Fokussiereinheit (24) einen einstellbaren Spanungsteiler (36) und eine Steuerschaltung (40) zum Steuern des einstellbaren Spanungsteilers (36) aufweist, wobei die Steuereinheit (74) ausgebildet ist, wenigstens ein galvanisch getrenntes Steuersignal (42, 44) für die Steuerschaltung (40) bereitzustellen, welches von einem vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential abhängt, wobei die Steuerschaltung (40) ausgebildet ist, den einstellbaren Spanungsteiler (36) abhängig von dem wenigstens einen Steuersignal (42, 44) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (74) ferner ausgebildet ist, die elektrische Leistung des Energiewandlers (38) abhängig vom vorgegebenen Wert für das erste elektrische Gitterpotential einzustellen.
Schaltungsanordnung (22) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Schalteinheit (28), die ausgebildet ist, die wenigstens eine Gitterelektrode (18) in einem ersten Schaltzustand mit dem ersten, den Elektronenstrom (26) fokussierenden elektrischen Gitterpotential und in einem zweiten Schaltzustand mit einem zweiten elektrischen Gitterpotential zum Abschnüren des Elektronenstroms (26) zwischen der Anodenelektrode (14) und der Kathodenelektrode (16) zu beaufschlagen.
Röntgengerät (10) mit einer Röntgenröhre (12), die wenigstens eine zwischen einer Anodenelektrode (14) und einer Kathodenelektrode (16) angeordnete Gitterelektrode (18) aufweist, und einer mittels einer Anschlussleitung (20) an die Röntgenröhre (12) angeschlossenen Schaltungsanordnung (22) zum Betreiben der Röntgenröhre (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (22) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 ausgebildet ist.