CN100342757C - 单极x光射线装置的高压连接器系统和安装方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率X射线装置(10)的高压连接器包括导热环氧树脂(70)，电缆接线端，法拉第圆筒(74)，弹簧加载接触件，和铅衬里壳体(12)。导热环氧树脂(70)包括充填物。环氧树脂(70)中还可以设置相同材料的颗粒。法拉第圆筒(74)设置在中心区，可提供电场屏蔽。弹簧加载接触件可使销对准容易进行和处理可靠。通过适当地选择垫圈(15)和环氧树脂(70)的导热性，可实现有效的热管理。

Description

单极X光射线装置的高压连接器系统和安装方法

相关申请

本申请涉及同时提出的申请(代理人文件号128513)，名为“计算机化断层扫描单极X光射线管的高压系统(HV System For A Mono-Polar Ct Tube”，本文参考引用其内容。

发明领域

本发明总体上涉及成像系统，更具体地，涉及连接高压(HV)电缆到X射线管的改进的机构。

背景技术

普通的可转动阳极X射线管包括穿过真空和通过从阴极到阳极上焦点位置之间非常高电压(100千瓦量级)的电子束。X射线的产生发生在电子撞击阳极时，阳极通常包括高速转动的钨目标轨。

X射线管的转换效率比较低，即通常小于整个输入能量的1％。其余部分转换为热能或热量。因此，热量排除或其他有效地管理热量的程序成为X射线管设计主要感兴趣的地方。

高压电缆一般用于提供阴极和阳极之间超过100千伏的电势差，以产生前面提到的X射线。电缆的一端连接到电源，另一端通过高压连接组件连接到X射线管，连接到阴极。连接组件一般包括固定结构，以保持电缆端部相对X射线管的位置，使电缆导线的端部可连接到X射线管。电缆导线一般包括单根导线或多导线。

连接组件还包括围绕位于X射线管外面的电缆导线暴露部分的许多高压绝缘体。高压绝缘体连接到X射线管，由于电缆导线带有高压，故绝缘体比较厚。

一般地，高压绝缘材料，如环氧树脂，具有非常差的导热性。在高压连接组件直接连接到X射线管，如越过端部，的情况下，这将带来不希望的结果。

如上所述，大量的热量在X射线管产生，成为产生X射线的不希望的副产品。一部分热量传导到连接器的绝缘材料，因其与X射线管有大面积的接触。因为绝缘材料很差的导热性，这些绝缘体成为热障，使得大量的热量累积在连接器的附近。结果是，连接器绝缘的温度限度很容易突破，使X射线管的恒稳态性能受到限制。

为了提高临床处理量，X射线管设计者面对着不断增加的提高功率的要求。传统上，计算机化断层扫描X射线管采用双极高压系统来产生X射线束，阴极和阳极在不同极性下在70千伏电压下工作。双极高压系统一般使用联邦标准的插座/插头将高压引入管壳体，高压连接在油中进行，通过高压引线连接到管插头。

双极系统中的高压元件的等级在70千伏的量级。为了争取有更高的管峰值功率，提出了单极高压系统结构。单极管在140千伏下工作，带有负极性并包括接地的阳极电极。

单极系统带来了许多挑战，如高压间隙，由于过高操作电压导致的放电活动性，受到约束的尺寸等。针对这种结构提出了圆锥形绝缘体/插头。由于这种圆锥形器件的热应力和材料性能下降，出现了许多可靠性和性能方面的问题。

高压连接器所面对的主要挑战之一是大功率条件下的高压完整性。由于连续施加大功率，连接器的温度超过材料限度。接下来，由于过高温度造成相关材料失效，导致热失控或长时间放电，带来电击穿，出现灾难性的故障。

一般的高压解决方案面对的困难包括处理高温情况，包括温度超过150℃。元件使用的乙丙橡胶的连续耐受温度只有105°，这成为这种应用的关键问题。

对于目前的X射线系统存在的问题，很明显需要一种新的高压连接X射线系统的技术。新技术应当包括对热应力的可靠反应和可防止材料失效，同时能保持超级高压性能。本发明试图解决这些问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提出一种单极X射线装置的高压连接器系统，包括：一个圆筒形屏蔽壳体，其包括：一个设有垫圈的第一侧面，其中所述垫圈形成有中心孔；一个设置成基本平行于所述第一侧面的第二侧面；和一个设置在所述第一侧面和所述第二侧面之间并连接到所述两个侧面的外侧面，所述外侧面包括电缆接线端，与所述中心孔贯穿并可容纳高压电缆；一个附着在所述圆筒形屏蔽壳体中的导热环氧树脂；和一个由所述导热环氧树脂所附着并与所述中心孔同轴的法拉第圆筒，所述法拉第圆筒可电连接到高压电缆和X射线装置。

所述高压电缆连接到所述高压电缆接线端，使所述高压电缆接触所述法拉第圆筒。

所述环氧树脂包括Al₂O₃粉末，AlN粉末，BN粉末中至少一种。所述环氧树脂包括至少一Al₂O₃片以改进热性能。还包括连接到所述垫圈的绝缘件。

所述垫圈在压力下压缩到所述绝缘件和所述导热环氧树脂之间，其中所述压力至少部分来自弹簧加载机构。

所述垫圈包括硅橡胶。所述垫圈是锥形的。

根据本发明的另一方面，也提出一种高压系统，包括：

一个X射线装置；

一个连接到所述X射线装置的圆筒形屏蔽壳体，其包括：一个设有垫圈的第一侧面，其中所述垫圈形成有中心孔；一个设置成基本平行于所述第一侧面的第二侧面；和一个设置在所述第一侧面和所述第二侧面之间并连接到所述两个侧面的外侧面，所述外侧面包括电缆接线端，与所述中心孔贯穿，并可容纳高压电缆；

一个附着在所述圆筒形屏蔽壳体中的导热环氧树脂，其中所述垫圈可压缩在一个高压绝缘体和所述导热环氧树脂之间，和

一个与所述中心孔同轴并被由所述导热环氧树脂所附着的法拉第圆筒，所述法拉第圆筒可电连接到所述高压电缆和所述X射线装置。

根据本发明的另一方面，还提出一种安装单极X射线装置的高压系统的方法，其包括：

连接一个圆柱形铅衬里高压连接器到X射线装置，所述圆筒形铅衬高压连接器包括：一个设有垫圈的第一侧面，其中所述垫圈形成有开孔；一个设置成基本平行于所述第一侧面的第二侧面；和一个设置在所述第一侧面和所述第二侧面之间并连接到所述两个侧面的外侧面；和

压缩所述垫圈到所述高压绝缘件和一个导热环氧树脂之间；

所述导热环氧树脂附着一个法拉第圆筒，所述法拉第圆筒可电连接到高压电缆和X射线装置。

高压连接器通过多个弹簧加载螺栓安装到X射线装置(管状壳体)的凸缘。施加预载荷使垫圈压缩到高压绝缘体(陶瓷)和连接器之间。为了改进密切接触和防止沿垫圈界面出现空隙，界面上施加了一薄层硅树脂油脂。

本发明的一个优点是，法拉第圆筒提供了高压线接头处附近局部电场的充分屏蔽，这样可减少部分放电活动性。另一个优点是利用垫圈和环氧树脂基材料的不同导热性进行热管理。

通过下面结合附图进行的介绍，对本发明的另外优点和特征将有更清楚的了解，所述优点和特征可通过所附权利要求提出的手段和组合来实现。

附图说明

为了更好地了解本发明，将参考下面的附图介绍本发明的实施例，本发明的的实施例是示例性的。在附图中，

图1是根据本发明的一个实施例的X射线管系统的部分剖开的透视图；

图2是图1的高压连接器的透视图；

图2A是沿图2中A-A的截面图；

图2B是根据本发明另一实施例的沿图2中A-A的截面图；

图3是根据本发明另一实施例的高压连接系统的透视图；

图3A是沿图3中A-A方向的截面图。

具体实施方式

本发明涉及高压连接器系统，其特别适合于医学领域。但本发明可应用与各种其他要求高压连接器系统的场合，如所属领域的技术人员所知道的。

参考图1，其显示了根据本发明的优选实施例的X射线管系统10(X射线装置)，其包括连接到金属壳体12的高压系统11，壳体支承其他X射线管的部件。

高压系统11，其包括高压绝缘件13，垫圈15和高压连接器17，将通过参考图2，3和3A进行详细介绍。

金属壳体12包括阴极14和阴极14的保护真空罩。阴极14射出高能量电子束16到阳极20的目标轨18，其使用难熔金属片，目标轨18通过普通的固定和驱动机构22可连续转动。目标轨18具有环形或环状结构，一般包括钨基合金，整体连接到阳极盘20。当阳极20转动时，阴极14发出的电子束撞击目标轨18的连续变化的部分，在焦点位置24产生X射线。产生的X射线束26从阳极焦点通过设置在壳体12侧面的X射线传导窗口27射出。

为了产生如上所述的X射线，阴极14和阳极20之间必须有100千伏的电势差。在单极射线管中，这通过将阳极连接到地(未显示)并通过电缆28施加所要求的100千伏电力到阴极14实现的。由于电缆28带有高压，有必要使用高压连接器17来连接电缆28到阴极14。

高压系统11包括绝缘外壳29内的高压绝缘件13，其连接到垫圈15，垫圈连接到高压连接器17。实施例中的高压系统包括前面提到的与轴线87同轴的部件，但是许多其他的设置也可采用，如所属领域的技术人员所知道的。

高压连接器17包括导热环氧树脂70，电缆接线端72，法拉第圆筒74，弹簧加载接触件76，和铅衬里铝壳体78。

参考图1，2，2A，2B，3和3A，高压连接器17包括圆柱形屏蔽壳体(铅衬里铝壳体78)，壳体包括第一侧面84(相对附图的顶侧)，其上设置垫圈15，垫圈15形成有开孔86，可容纳法拉第圆筒。高压连接器17还包括第二侧面88(相对附图的底侧)，设置成基本平行于第一侧面84；和外侧面90，设置在第一侧面84和第二侧面88之间，并连接到二个侧面。外侧面90包括电缆接线端72，可容纳高压电缆28。导热环氧树脂70附着在圆柱形屏蔽壳体78上，法拉第圆筒74被环氧树脂70包围，法拉第圆筒74可电连接到高压电缆28和电连接件38，其将在后面讨论。

为了绝缘导线38的暴露端部，即在绝缘体80端部和管10内的绝缘件13之间延伸的部分，高压连接器壳体17内填充了电绝缘材料，如环氧树脂70。导热环氧树脂70包括填充物，如Al₂O₃，AlN，BN的粉末。为了进一步增加导热性，环氧树脂70还可填充类似材料的颗粒71，如图2A所示。另外，Al₂O₃块73也可用作导热路径的一部分和环氧树脂中的高压绝缘体，如图2B所示。

此外，通过选择垫圈15和环氧树脂70的导热性能，高压连接器17可提供有效的热管理方式。例如，使用具有高导热性的垫圈15和低导热性的环氧树脂可提供一种导热路径，引导热量通过垫圈流到壳体。结果是，大量的热量分流不进入连接器。还可以选择使用高导热性的环氧树脂和低导热性的垫圈，可形成热障，阻止热量进入连接器17。此外，为了改进密切接触和防止沿垫圈界面出现空隙，在界面上施加了一薄层硅树脂油脂。

在中心区的法拉第圆筒74为附近区域提供了电场屏蔽，可减少不希望的局部放电。在法拉第圆筒74内，电场可减小到被忽略的程度。高压接头和连接也得到很好的保护不会放电。

弹簧加载接触件76，如弹簧加载的弹簧销(pogo pin)，可简化销对准和处理的牢靠性。由于具有更高的温度限，铬镍铁合金可用作弹簧材料。弹簧加载可提高高压绝缘件13和高压连接器17之间不同热环境下的高压连接的效率。

高压连接器17(铅衬里高压连接器)包围导热环氧树脂70并连接到绝缘壳体29的凸缘66，高压连接器17还包括高压电缆接线端72。

高压连接器17包括铅衬里壳体78，壳体78连接到管壳体12的端部，或如图示通过绝缘壳体29连接。实施例中的铅衬里壳体78包括可包括不同的材料，如铝。

绝缘件13可改进真空中的整体高压性能。绝缘件的形状进行了优化以避免表面跳火。通过金属化，三态点的电介质应力减到最小(即三态点移动了)，因此减轻了放电活动性。图示的绝缘件形状设计成可使绝缘件13具有最佳高压性能，可防止表面跳火和陶瓷大面积破坏。应当认识到，图示的绝缘件只是许多种可能用于本发明的绝缘件中的一种，如所属领域的技术人员所知道的。

参考图1，3和3A，出于电，热和机械方面的原因采用了具有轻微锥形的垫圈15。垫圈15具有较厚的中心部分和稍薄的边缘部分，在另外的实施例中采用了不均匀的垫圈。垫圈15最好用硅树脂材料制造(或相类似的材料)，当弹簧加载连接器17推动陶瓷绝缘件13的平表面时，受到15到30磅/平方英寸的压载荷。密切的接触可保证沿所有界面的高压整体性，以及高压性能。

高压电缆28包括沿电缆28中心设置的一根或多根电导线82和围绕导线82的高压绝缘层80。如上所述，可以有单个固体导线82或多个导线。高压电缆28连接到高压电缆接线端，使高压电缆接触法拉第圆筒74，或通过其他的导电机构，如所属领域的技术人员所知道的。

高压电缆28通过连接器壳体78上的孔72插入高压连接器17。孔72一般位于与轴线87贯通的位置。导线82延伸超过绝缘层80的端部，通过高压绝缘件13的通孔，与电连接件38接合，连接到阴极14。电连接件38和阴极14支撑于高压绝缘件13，高压绝缘件插入管10的端部，由陶瓷材料或类似材料形成。

导线82一般是铜的，绝缘体80包括材料，如乙丙橡胶。这种材料使高压电缆28具有柔性，同时为其承载的高压电力提供了足够的绝缘性能。

在工作中，促动X射线源，高压电荷通过高压导线移动进入法拉第圆筒。高压绝缘体通过前面介绍的独特设计使电场和可能的放电最小。

如上所述，可看到相关技术出现了新的高压器连接系统10。应当理解前面介绍的本发明的优选实施例只是众多说明本发明原理应用的特定实施例中的一部分。在后面权利要求限定的本发明的范围内，许多其他设置对于所属领域的技术人员是显而易见的。

Claims (18)

1.一种单极X射线装置(10)的高压连接器系统(11)，包括：

一个圆筒形屏蔽壳体(12)，其包括：一个设有垫圈(15)的第一侧面(84)，其中所述垫圈(15)形成有中心孔(86)；一个设置成基本平行于所述第一侧面(84)的第二侧面(88)；和一个设置在所述第一侧面(84)和所述第二侧面(88)之间并连接到所述两个侧面的外侧面(90)，所述外侧面(90)包括电缆接线端，与所述中心孔(86)贯穿并可容纳高压电缆(28)；

一个附着在所述圆筒形屏蔽壳体(12)中的导热环氧树脂(70)；和

一个由所述导热环氧树脂(70)所附着并与所述中心孔(86)同轴的法拉第圆筒(74)，所述法拉第圆筒(74)可电连接到高压电缆(28)和X射线装置(10)。

2.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，所述高压电缆(28)连接到所述高压电缆接线端，使所述高压电缆(28)接触所述法拉第圆筒(74)。

3.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，所述环氧树脂(70)包括Al₂O₃粉末，AlN粉末，BN粉末中至少一种。

4.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，所述环氧树脂(70)包括至少一Al₂O₃片以改进热性能。

5.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，还包括连接到所述垫圈(15)的绝缘件(13)。

6.根据权利要求5所述的系统(11)，其特征在于，所述垫圈(15)在压力下压缩到所述绝缘件(13)和所述导热环氧树脂(70)之间，其中所述压力至少部分来自弹簧加载机构。

7.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，所述垫圈(15)包括硅橡胶。

8.根据权利要求1所述的系统(11)，其特征在于，所述垫圈(15)是锥形的。

9.一种高压系统(11)，包括：

一个X射线装置(10)；

一个连接到所述X射线装置(10)的圆筒形屏蔽壳体(12)，其包括：一个设有垫圈(15)的第一侧面(84)，其中所述垫圈(15)形成有中心孔(86)；一个设置成基本平行于所述第一侧面(84)的第二侧面(88)；和一个设置在所述第一侧面(84)和所述第二侧面(88)之间并连接到所述两个侧面的外侧面(90)，所述外侧面(90)包括电缆接线端，与所述中心孔(86)贯穿，并可容纳高压电缆(28)；

一个附着在所述圆筒形屏蔽壳体(12)中的导热环氧树脂(70)，其中所述垫圈(15)可压缩在一个高压绝缘体(13)和所述导热环氧树脂(70)之间，和

一个与所述中心孔(86)同轴并被由所述导热环氧树脂(70)所附着的法拉第圆筒(74)，所述法拉第圆筒(74)可电连接到所述高压电缆(28)和所述X射线装置(10)。

10.根据权利要求9所述的系统(11)，其特征在于，所述垫圈(15)在压力下压缩到所述高压绝缘件(13)和所述导热环氧树脂(70)之间，其中所述压力至少部分来自弹簧加载机构。

11.根据权利要求10所述的系统(11)，其特征在于，所述垫圈(15)包括硅橡胶，并且所述垫圈(15)是锥形的。

12.根据权利要求9所述的系统(11)，其特征在于，所述导热环氧树脂(70)包括Al₂O₃粉末，AlN粉末，BN粉末中至少一种。

13.根据权利要求9所述的系统(11)，其特征在于，所述法拉第圆筒(74)适于通过弹簧加载接触件来电连接到所述高压电缆(28)和所述X射线装置(10)。

14.一种安装单极X射线装置(10)的高压系统(11)的方法，其包括：

连接一个圆柱形铅衬里高压连接器到X射线装置(10)，所述圆筒形铅衬高压连接器包括：一个设有垫圈(15)的第一侧面(84)，其中所述垫圈(15)形成有开孔；一个设置成基本平行于所述第一侧面(84)的第二侧面(88)；和一个设置在所述第一侧面(84)和所述第二侧面(88)之间并连接到所述两个侧面的外侧面(90)；和

压缩所述垫圈(15)到所述高压绝缘件(13)和一个导热环氧树脂(70)之间；

所述导热环氧树脂(70)附着一个法拉第圆筒(74)，所述法拉第圆筒(74)可电连接到高压电缆(28)和X射线装置(10)。

15.根据权利要求14所述的系统(11)，其特征在于，所述压缩所述垫圈(15)还包括通过压力在所述高压绝缘件(13)与导热环氧树脂(70)之间压缩所述垫圈(15)，其中所述压力至少部分来自弹簧加载机构。

16.根据权利要求14所述的系统(11)，其特征在于，所述压缩还包括优化所述垫圈(15)和导热环氧树脂(70)的导热性能。

17.根据权利要求14所述的系统(11)，其特征在于，所述压缩还包括选择所述垫圈(15)具有低导热性能和所述导热环氧树脂(70)的高导热性能。

18.根据权利要求14所述的系统(11)，其特征在于，所述压缩还包括选择所述垫圈(15)具有高导热性能和所述导热环氧树脂(70)的低导热性能。

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