CN100361561C - Hv系统及用于单极ct管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于单极X射线装置(10)的HV绝缘体系统(11)，包括绝缘体(13)的顶部，该顶部包括基本上呈圆锥形的中央部(56)。绝缘体(13)的底部(62)形成一个平面，在该平面上HV触头(76)适于接收来自于HV连接器(17)的弹簧加压的插针(76)。顶部(50)和底部(62)的带法兰的外边缘(66)适于联接到HV连接器(17)。顶部(50)形成与所述圆锥形中央部(56)共轴、并适于接收所述HV导线(54)的倒置圆锥形中央通道(52)。基本上呈圆锥形的部分(56)进一步限定倒置圆锥形通道(52)，从而使所述倒置圆锥形通道(52)的底部(58)在所述基本上呈圆锥形的中央部(56)的锥形顶点(69)处形成。

Description

HV系统及用于单极CT管的方法
技术领域
本发明总的来说涉及成像系统，更具体地说涉及一种改进了的、用来将高压(HV)电缆连接到X射线管上的装置。
背景技术
典型的旋转阳极X射线管包括一束被引导从阴极穿过真空并越过很高的电压(相当于100千伏)而到达阳极焦点位置的电子束。在电子撞击阳极时产生X射线，该阳极一般包括高速旋转的钨靶轨道(tungsten targettrack)。
X射线管的转换效率相对较低，即一般低于总输入功率的1％。剩余部分转换成热能或热。因此，热量的排除或其它管理热量的有效程序往往是X射线管设计中主要考虑的因素。
为了产生前述的X射线，HV电力电缆一般用来在阴极和阳极之间提供必要的超过100千伏的电位差。电缆的一端连接到电源上，另一端利用HV接插件(connector assembly)连接到该管上，用于连接至阴极。接插件通常包括相对于管固定电缆端部的固定结构，从而可将电缆芯线的端部连接到管子上。电缆芯线一般包括单根导线或者多根导线。
接插件还包括一些围绕着电缆芯线位于管外的暴露部分的HV绝缘体。HV绝缘体连接到X射线管上，并且由于电缆芯线的高电压的关系，相对较厚。
通常，高电压绝缘材料，如环氧树脂，还往往是非常差的热导体。这在HV接插件直接连到X射线管上、如穿过其一端时会产生不希望的结果。
如上所述，作为生成X射线时所不希望的副产物，在X射线管中产生了大量的热。这些热的一部分被导向与管接触面积比较大的连接器绝缘材料。由于其导热特性差，该绝缘体用作热障，从而在连接器附近往往累积了相当大量的热。结果，很容易超过连接器绝缘体的温度极限，从而X射线管的稳态性能受到了限制。
为了提高临床处理能力，X射线管设计者正面临不断增加的对更大功率的需求。传统上，CT管包括双极HV系统来产生X射线束，其中阴极和阳极工作在极性不同的70kV下。双极HV系统通常利用联邦标准的插座/插头来将HV引入管壳，此处通过在管插入部中进行HV馈通(feedthrough)而在油中完成HV连接。
双极系统中的HV部件的额定值为大约70kV。在致力于使得管峰值功率更大的过程中，已经使用了一种具有单极HV系统的结构。单极管工作在140kV负极性下，并且包括一个接地的阳极电极。
单极系统由于高得多的工作电压以及受限的尺寸，在HV净空(clearance)、放电动作等方面存在着许多急待解决的问题。在这种结构已经使用了圆锥形绝缘体/插头。然而，由于这些圆锥形装置的热应力及材料老化，已经发现了一些可靠性问题和性能问题。因此，圆锥形HV绝缘体对于高功率管来说通常不是可行的选择方案。
HV连接器面临的一个主要急于解决的问题是在高功率条件下的HV完整性(HV integrity)。对于连续的高功率应用，连接器温度可能超过材料使用极限。因此，可能通过电击穿而发生灾难性事故，该电击穿是由于与过高温度有关的相关材料老化的热散逸或长期释放而产生的。
典型的HV解决方案常常有处理包括超过150℃的高温情况的困难。这种应用所主要关心的是包括额定连续温度仅仅为105℃的EPR橡胶(乙丙橡胶)的部件。
与当前X射线系统有关的缺点使得对于连接到X射线系统的HV连接新技术的需求变得显然。新技术应当包括对热应力的稳定响应，并且还应当防止材料老化。本发明就是为了实现这些目标。
发明内容
根据本发明的一个方面，提出一种用于单极X射线装置的HV绝缘体系统，包括绝缘体的第一侧面，所述第一侧面包括基本上呈圆锥形的中央部。该绝缘体的第二侧面形成与圆锥形中央部共轴、并适于接收HV导线的开口。第一和第二侧面的带法兰的外边缘适于联接到HV连接器。第一侧面形成与所述圆锥形中央部共轴、并适于接收HV导线的倒置的圆锥形中央通道。该基本上呈圆锥形的部分进一步形成该倒置圆锥形通道，从而该倒置圆锥形通道的底部在该基本上呈圆锥形的中央部的锥形顶点(tapered apex)处形成。
根据本发明的另一个方面，提出一种装配用于单极X射线装置的HV系统的方法，包括：将陶瓷绝缘体联接到X射线装置上，其中该陶瓷绝缘体包括形成倒置圆锥形中央通道的第一侧面。该第一侧面包括基本上呈圆锥形的中央部。该基本上呈圆锥形的部分进一步形成该倒置的圆锥形通道，从而该倒置圆锥通道的底部在该基本上呈圆锥形中央部的锥形顶点处形成。第二侧面包括开口、以及第一侧面和第二侧面的带法兰的外边缘。将一个垫圈压在该陶瓷绝缘体与HV连接器之间。将衬铅HV连接器通过弹簧加压插销联接到该陶瓷绝缘体上。
本发明的一个优点在于绝缘体如此设计，从而使绝缘体在防止陶瓷的表面飞弧和体击穿方面具有最佳的HV性能。
本发明的其他优点和特征将由于下面的描述而变得显然，并可由在附加的权利要求连同附图中所特别指出的手段及组合来实现。
附图说明
为了对本发明有更完整的理解，现在将参照附图描述它的作为举例给出的一些实施例，其中：
图1是表示根据本发明一个实施例的X射线管系统的透视图，其一个区域被剖开；
图2是图1绝缘体的透视图；
图2A是图2的绝缘体的一个实施例在B-B方向上的剖面图；
图2B是图2A的一个备选实施例；
图2C是图2A的一个备选实施例；
图3是根据本发明另一个实施例的、包括图1和2的绝缘体的HV连接器的透视图；
图3A是图3在A-A方向上的剖面图。
具体实施方式
本发明是针对特别适合于医学领域的HV绝缘体系统来进行描述的。然而，本领域普通技术人员应能理解，本发明也可应用到其它各种需要HV绝缘体系统的用途。
参见图1，根据本发明的一个优选实施例，X射线管系统10(X射线装置)包括一个联接到金属壳体12上的HV系统11，该壳体支撑其它的X射线管部件。
包括陶瓷绝缘体13、垫圈(gasket)15、以及HV连接器17的HV系统11将参照图2、3和3A详细讨论。
金属壳体12包括阴极14，还包括用于阴极14的保护性真空封装(vaccum enclosure)。阴极14将一束高能电子16束引导到阳极20的靶轨道(target track)18上，该阳极包括耐火金属圆盘，并由传统的安装和驱动机构22连续地转动。靶轨道18具有圆环或环状结构，并且一般包括整体接合(bond)在阳极圆盘20上的以钨基合金。随着阳极20的转动，在焦点位置24处，来自阴极14的电子束撞击到靶轨道18的连续变化部分从而产生X射线。由此产生的一束X射线26从阳极焦点处通过设置在壳体12侧面上的X射线透射窗27而投射。
为了如上所述产生X射线，必须在阴极14和阳极20之间有大约100千伏的电位差。在单极管装置中，这通过将阳极连接到地线(未示出)上，并通过电缆28将在所需的100千伏范围内的电力施加到阴极14上来实现。由于由电缆28载带的高电压，必须使用HV连接器17来将电缆联接到阴极14上。
HV系统11包括联接到垫圈15上的陶瓷绝缘体13，该垫圈联接到HV连接器17上。具体的HV系统包括与轴87共轴的上述部件，然而，本领域普通技术人员会明白还可包括许多其他的装置。
参见图1、2、2A、2B、2C、3和3A，单极X射线装置的HV陶瓷绝缘体13包括第一侧面50(图2中的顶面)，其沿轴87形成用来接受HV导线54的倒置圆锥形中央通道52。第一侧面50包括一个也是沿着轴87基本上呈圆锥形的中央部56。该基本上呈圆锥形的中央部56进一步形成倒置圆锥形中央通道52，从而倒置圆锥通道的底部58在基本上呈圆锥形的中央部56的锥形顶点60处形成。上述绝缘体形状断面的备选方案还可包括如图2B中所示的多个圆周槽57或者如图2C中所示的在圆锥面上的多个增强器挡板(booster shed)59。
HV陶瓷绝缘体13还包括第二侧面62(图2中的底面)，其为包括HV触头(HV contact)的平面，该触头接收来自于HV连接器17的弹簧加压的插针(pin)，并通过馈通(feedthrough)64连接到HV耦合元件38。HV导线54连接到触头上。HV绝缘体13还表现为具有第一侧面50和第二侧面62的带法兰的外边缘。
在一个实施例中，第一侧面50或第二侧面62在倒置锥形通道52的锥形顶点69处还形成与其共轴的环形区域67。环形区域67最好均匀地涂布金属(即，金属涂层)。金属涂层从紧接于HV结构54的区域开始，并终止于锥形顶点69。
为了提高在真空中的HV总稳定性，绝缘体断面优化成避免电弧漏电(arc creepage)。在三相点处的静电应力通过前述的金属涂层而被最小化了(即三相点被平移了)，由此减弱了放电行为。绝缘体形状如此设计，从而使绝缘体13在防止陶瓷表面飞弧和主体击穿方面具有最佳的HV性能。
绝缘体显示为在金属框架71之中，并联接到连接器17上并与其共轴。然而，可以理解的是在本发明中可以包括多种其他的连接器和陶瓷/金属框架，这对于本领域普通技术人员来说是会明白的。
再参见图1、3和3A，由于电、热和机械的原因使用了略呈锥形的垫圈15。垫圈15表现为具有薄的边缘和略厚的中心，然而多种可供替换的实施例中包括均匀的垫圈。垫圈15最好由硅橡胶材料(或类似的替代物)制成，并且在弹簧加压连接器17推压在陶瓷绝缘体13的平面上时处于15到30psi(磅/平方英寸)负载的压力下。紧密接触确保了沿所有接触面的HV完整性，并由此确保了HV性能。
HV连接器17包括环氧树脂70、电缆端子72、屏蔽装置74、弹簧加压触头76以及铅衬的铝壳体78。HV连接器17表示为圆柱形，然而本领域普通技术人员会明白，在本发明中可以包括多种其他形状。
为了使导线82的暴露端部、即管10内在绝缘体80端部和陶瓷绝缘体13之间延伸的部分绝缘，HV连接器壳体78充满了电绝缘材料，如环氧树脂70。环氧树脂70可包括填充物，如Al2O3或AlN或BN粉末。为进一步增加导热性，环氧树脂70备选地装有这些材料的渣砾。并且，一块Al2O3也可以用作环氧树脂中热传导路径以及HV绝缘的部分。
在中心区域的屏蔽装置74(与轴87共轴)相当大地减小了在HV导线及其接点附近的电场，这降低了所不希望的局部放电。例如，屏蔽装置为法拉第筒。
弹簧加压触头76，如弹簧加压的弹簧单高跷状插针(pogo pin)，简化了插针对准及增加了处理的稳定性。
HV连接器17(衬铅HV连接器)封住环氧树脂70，并联接到管壳上，HV连接器17还包括HV电缆端子72。
图示中，HV连接器17还包括衬铅壳体78，其连接到管壳12上，例如在其一端。衬铅Al壳体78也可以包括备用材料，如铝。
HV电缆28包括沿电缆28中心定位的一个或多个电导线82，并且一层HV绝缘体80包围着导线82。如上所述，可以有单根固体导线82或多根导线。HV电缆28联接到HV电缆端子，从而使HV电缆接触屏蔽装置74，或者接触导电装置，这对于本领域普通技术人员来说是可以理解的。
HV电缆28通过连接器壳体78上的孔插入HV连接器17。孔72一般定位成横贯轴87。导线82伸出绝缘层80之外，并被引导通过管壳12，并与连接到阴极14的电耦合元件38紧密配合。耦合元件38和阴极14由插入管10的端部、并由陶瓷材料或具有陶瓷绝缘性质的物质形成的绝缘体13支撑就位。
导线82一般包括铜，而绝缘体80包括诸如乙丙橡胶(EP rubber)这样的材料。这种材料为HV电缆28提供了柔韧性，并同时为由其携带的高压电力提供足够的绝缘。
操作中，X射线源被激活，高电压电荷穿过HV导线并进入屏蔽装置1。同时，陶瓷绝缘体通过前面描述的独特设计使得电场和可能的电弧降到最小。
从 前面所述可以看出，本发明已为本领域带来一种新的HV系统。应当理解的是，前面对优选实施例的描述仅仅是对有些表示本发明原理的应用的许多具体实施例的举例说明。对于本领域普通技术人员来说，在不背离下述权利要求限定的本发明的范围下的许多其他装置是显而易见的。

Claims (20)

1、一种用于单极X射线装置的HV绝缘体系统，包括：
绝缘体的第一侧面，所述第一侧面包括基本上呈圆锥形的中央部；
绝缘体的第二侧面，限定出联接到HV连接器上的平面；以及
所述第一侧面和所述第二侧面的带法兰的外边缘，所述带法兰的外边缘联接到所述HV连接器上；
由此，所述第一侧面限定出与所述圆锥形中央部共轴、并适于接收所述HV导线的倒置圆锥形中央通道，其中，所述基本上呈圆锥形的部分进一步限定出所述倒置圆锥形通道，从而使所述倒置圆锥形通道的底部在所述基本上呈圆锥形的中央部的锥形顶点处形成。
2、如权利要求1所述的系统，还包括包围环氧树脂、并联接到所述带法兰的外边缘的HV连接器，所述HV连接器还包括HV电缆端子。
3、如权利要求2所述的系统，还包括联接到所述HV电缆端子上的HV电缆，从而使所述HV电缆接触所述导电体。
4、如权利要求2所述的系统，其中，所述环氧树脂围绕所述导电体。
5、如权利要求4所述的系统，其中，所述环氧树脂包括Al2O3粉末、AlN粉末、BN粉末渣砾材料中的至少一种。
6、如权利要求4所述的系统，还包括垫圈，其中，所述垫圈通过压力压紧在所述第二侧面和所述环氧树脂之间，并且所述压力来自于弹簧加压装置。
7、如权利要求6所述的系统，其中，所述垫圈包括硅橡胶或者具有硅橡胶电化学性质的物质。
8、如权利要求6所述的系统，其中，所述垫圈呈锥形。
9、如权利要求1所述的系统，其中，所述第一侧面和所述第二侧面包括陶瓷或者一种具有陶瓷的绝缘性质的物质。
10、如权利要求1所述的系统，其中，所述第一侧面或所述第二侧面之一在所述倒置锥形通道的锥形顶点处进一步限定环形区域。
11、如权利要求10所述的系统，其中，所述环形区域涂布有金属层。
12、一种HV系统，包括：
用于单极X射线装置的陶瓷HV绝缘体，所述绝缘体包括：第一侧面，所述第一侧面包括基本上呈圆锥形的中央部；限定出平坦平面的第二侧面，以及所述第一侧面和所述第二侧面的带法兰的外边缘，由此，所述第一侧面限定与所述基本上呈圆锥形的中央部共轴的倒置圆锥，适于接收所述HV导线的所述中央通道，所述基本上呈圆锥形的部分进一步限定所述倒置圆锥形通道，从而使所述倒置圆锥通道的底部在所述基本上呈圆锥形的中央部的锥形顶点处形成；
衬铅HV连接器，该连接器封住环氧树脂并且联接到所述带法兰的外边缘，所述衬铅HV连接器进一步包括HV电缆端子；
由所述环氧树脂围绕的导电体；以及
压紧在所述陶瓷HV绝缘体和所示环氧树脂之间的垫圈。
13、如权利要求12所述的系统，其中，垫圈通过压力压紧在所述陶瓷HV绝缘体和所述环氧树脂之间，并且其中，所述压力来自于弹簧加压装置。
14、如权利要求13所述的系统，其中，所述垫圈呈锥形并且包括硅橡胶或者具有硅橡胶电化学性质的物质。
15、如权利要求12所述的系统，其中，所述第一侧面进一步包括与所述中央通道共轴的多个圆周槽。
16、如权利要求12所述的系统，其中，所述第一侧面进一步包括至少一个增强器挡板。
17、如权利要求12所述的系统，其中，所述环氧树脂包括Al2O3粉末、AlN粉末、BN粉末或渣砾材料中的至少一种。
18、如权利要求12所述的系统，其中，所述第一侧面或所述第二侧面之一在所述倒置锥形通道的锥形顶点处进一步限定环形区域。
19、一种装配用于单极X射线装置的HV系统的方法，包括：
将陶瓷绝缘体联接到X射线装置上，所述陶瓷绝缘体包括：第一侧面，所述第一侧面包括基本上呈圆锥形中央部；限定出平坦平面的第二侧面，所述平面包括至少一个接收来自于HV连接器的弹簧加压插针的HV触头；以及，所述第一侧面和所述第二侧面的带法兰的外边缘，其中，所述第一侧面限定出倒置圆锥形中央通道，所述基本上呈圆锥形部分进一步限定所述倒置圆锥形通道，从而使所述倒置圆锥通道的底部在所述基本上呈圆锥形中央部的锥形顶点处形成；
将垫圈压在所述陶瓷绝缘体与环氧树脂之间；以及
将衬铅HV连接器联接到所述陶瓷绝缘体上。
20、如权利要求19所述的系统，其中，所述压紧所述垫圈的方法包括将所述垫圈压力压紧在所述陶瓷绝缘体和所述环氧树脂之间，其中，所述压力来自于弹簧加压装置。
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