CN100538984C - 具有吸热件的用于产生x射线的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生X射线(41)的装置。该装置包括用于产生电子束(35)的源(5)、可围绕旋转轴线(15)旋转并设有可因电子的入射而产生X射线的材料(9)的载台(7)。该装置还包括吸热件(45)，其设置在源与载台之间以捕获从载台上的电子束撞击位置(39)处散射回来的电子，并吸收在操作期间被加热的载台的一部分辐射热。吸热件与装置的冷却系统(51)热连接。根据本发明，吸热件(45)与冷却系统(51)之间的热连接包括热障(57)，其可限制吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由热连接而发生的传热率。在一个特定实施例中，所述热障包括所述吸热件通过其而安装在该装置上的环形安装件(57)，其具有有限的尺寸(h_B)。作为所述热障的结果，被吸热件吸收的热量逐渐地传递到冷却系统中，因此就避免了冷却系统上的温度峰值负载以及冷却液沸腾等问题。此外，允许吸热件具有较高的温度，因此可显著地减小使吸热件能吸收足够多热量所必须的吸热件的质量和体积。

Description

具有吸热件的用于产生X射线的装置

本发明涉及一种用于产生X射线的装置，该装置包括可发出电子的源、可围绕旋转轴线旋转并设有可因电子的入射而产生X射线的材料的载台、设置在源与载台之间的吸热件，以及与吸热件形成热连接的冷却系统，其中在操作期间，吸热件的吸热率远大于经由热连接的传热率。

从文献US-A-6215852中已经知道了如本文开篇所述的这类装置。源、载台和吸热件容纳在装置的真空空间内。载台是盘形的，并且通过轴承而被可旋转地轴颈式支撑。在操作期间，由源产生的电子束穿过设在吸热件内的中央空腔，并在靠近载台周边的撞击位置处撞击在载台的X射线发生材料上。结果，在所述撞击位置处产生了X射线，其穿过设在封闭了真空空间的外壳中的X射线出射窗口而发出。吸热件具有与载台相同的电位，并且设在源和载台之间以捕获从载台上散射回来的电子，以及吸收在操作期间由被加热的载台所产生的辐射热，结果是吸热件在操作期间被加热。冷却系统包括用于冷却液的通道，其设在吸热件的周边部分中并与吸热件形成直接的热接触。结果，吸热件和冷却系统之间的热连接具有相对较高的热导率。吸热件由铜制成并具有较大的质量和体积，因此吸热件具有较大的吸热能力。因此，当暂时性地操作该装置以产生具有较高能级的X射线时，吸热件就可暂时性地具有较高的吸热率，在此期间吸热件只会出现中等程度的温度升高。作为该中等程度的温度升高的结果，从吸热件到冷却系统的传热率就受到了限制，由吸热件所吸收的热量在装置产生X射线的期间以及在装置停止操作后逐渐传递到冷却系统上。作为热量从吸热件到冷却系统的所述逐渐传递的结果，可以防止在冷却系统上出现温度峰值负载，从而可防止冷却系统出现例如冷却液沸腾或冷却系统的薄壁结构熔化等问题。

这种已知装置的一项缺点是，由于吸热件具有较大的质量和体积，因此该装置具有较大的尺寸和较大的重量。

本发明的一个目的是提供一种如本文开篇所述类型的用于产生X射线的装置，其同样具有热量从吸热件逐渐传递到冷却系统的优点，但吸热件的质量和体积却显著地减少。

为了实现上述目的，根据本发明的用于产生X射线的装置的特征在于，吸热件和冷却系统之间的热连接包括热障，其可以预定的方式来限制吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由热连接而产生的传热率。在根据本发明的装置中，热量从吸热件到冷却系统的逐渐传递并非通过如文献US-A-6215852所述装置那样的适度地调节吸热件在产生X射线的期间所达到的最高温度来实现，而是通过限制吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由热连接而产生的传热率、即通过限制热连接的热导率来实现。结果，如果吸热件是由具有足够高熔化温度的合适材料制成的话，则吸热件能够在产生X射线的期间出现较高的最高温度。作为能够出现较高的最高温度的结果，吸热件只需要有较小的质量和体积便可使吸热件吸收与已知装置的吸热件所吸收的热量相当的总热量。由于热连接的必需热导率受到限制，可以不必对吸热件材料的热导率提出较高的要求，因此适合于吸热件的材料的范围不受到对材料热导率的要求的限制。

根据本发明的装置的一个特定实施例的特征在于，热连接的传热系数θ＝φ/P_max小于0.0005K^-1，其中φ(单位为kW/K)是吸热件的平均温度与热连接和冷却系统之间的热边界处的温度之间的每单位差异内经由热连接的传热率，而P_max(单位为kW)是在装置的连续操作期间所允许的源的最大输出功率。如果所述传热系数θ小于0.0005K^-1，那么在操作期间吸热件就可达到较高的最高温度，这样便可显著地减小使吸热件能吸收足够多热量所必须的吸热件的质量和体积。

根据本发明的装置的一个特定实施例的特征在于，热障包括吸热件通过其而安装在装置上的安装件，所述安装件在从平行于源的电子束路径的方向看去时具有一定的尺寸，该尺寸明显小于吸热件在所述方向上的尺寸。在该实施例中，将吸热件安装在该装置中所必需的安装件还构成了所需热障或其一部分，结果，该装置具有其中部件的数量有限的简单构造。由于安装件的所述尺寸较小，因此安装件具有较小的截面积，结果就可有效地减小吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由热障而产生的传热率。通过所述截面积的适当值、即通过安装件的所述尺寸的适当值，就可实现对所述传热率的预定限制。

根据本发明的装置的另一实施例的特征在于，吸热件相对于电子束路径大致旋转对称，安装件是环形的并相对于电子束路径同心。在该另一实施例中，吸热件被从载台上散射回来的电子均匀地加热，并且吸热件所吸收的热量在环形安装件的周向上经由安装件被均匀地传递到冷却系统中。这样就显著地降低了吸热件、安装件和冷却系统出现过高的局部温度的危险。

根据本发明的装置的另一实施例的特征在于，安装件由热导率小于用于制造吸热件的材料的热导率的材料所制成。由于安装件材料的热导率低于吸热件材料的热导率，因此就可以有效地减小吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由安装件而产生的传热率。

根据本发明的装置的另一实施例的特征在于，安装件由不锈钢制成。从其导热性能、热膨胀性能以及机械性能来看，不锈钢是非常适合于安装件的材料。

根据本发明的装置的另一实施例的特征在于，吸热件具有朝向载台的第一侧和背离载台的第二侧，安装件在所述第二侧的附近与吸热件形成热接触。在操作期间，吸热件在第二侧附近的温度低于吸热件的平均温度，并且低于第一侧附近的温度。结果就可以进一步降低从吸热件经由安装件到冷却系统的传热率，使得从吸热件到冷却系统的热传递甚至能够更平缓地发生。

根据本发明的装置的一个特定实施例的特征在于，热障包括设在吸热件的辐射传热面和冷却系统的辐射传热面之间的真空间隙。在该实施例中，吸热件例如通过优选由绝热材料制成的安装件而安装在该装置上。因此，主要通过经由所述真空间隙的热辐射来产生从吸热件到冷却系统的热传递，结果就可以有效地减小吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由热障而产生的传热率。对所述传热率的预定限制可通过吸热件和冷却系统的所述辐射传热面面积的适当值以及间隙宽度的适当值来实现。

根据本发明的装置的一个特定实施例的特征在于，吸热件由钼、钨或石墨制成。所述材料具有较高的熔化温度，因此允许吸热件具有较高的温度，从而可以显著地减小使吸热件具有足够吸热率所必须的吸热件的质量和体积。

根据本发明的装置的一个特定实施例的特征在于，吸热件的朝向载台的一侧具有电子吸收面，其在从载台上的电子撞击位置看去时是下凹的。从撞击位置处散射回来的电子的能级取决于角度α，该角度是电子相对于源所产生的电子束路径散射回来的角度。所述能级大致与sin(2α)成比例，因此所述能级从α＝0°时的大约为0增加到α＝45°时的最大值。由于吸热件的电子吸收面是下凹的，因此电子吸收面中的可捕获以一定角度α散射回来的电子的那一部分也在α＝0°与α＝45°之间增加。结果，可实现大致均匀的每单位电子吸收面面积的吸热率，因此吸热件被所散射的电子基本上均匀地加热，并且可避免吸热件出现过高的局部温度。

在下文中将参考附图来详细地介绍根据本发明的用于产生X射线的装置的实施例，在图中：

图1示意性地显示了根据本发明的用于产生X射线的装置的第一实施例的纵向剖视图，

图2示意性地显示了图1所示第一实施例的吸热件，和

图3示意性地显示了根据本发明的用于产生X射线的装置的第二实施例的吸热件。

图1显示了根据本发明的用于产生X射线的装置的第一实施例，其包括封闭了真空空间3的金属外壳1，在真空空间3中设有可发出电子的源5或阴极，以及具有可因电子束的入射而产生X射线的材料9的载台7或阳极。仅在图1中示意性地显示的源5通过由电绝缘材料制成的第一安装件11而安装在外壳1上。载台7是大致盘形的，在该实施例中为钨的X射线发生材料9以环形层的形式设置在载台7的朝向源5的主侧13上。载台7由具有较高熔化温度的材料制成，在该实施例中此材料是钼。或者，载台7可完全由X射线发生材料制成。

载台7可围绕垂直于主侧13延伸的旋转轴线15而旋转。为此，装置包括有与载台7轴颈式相连的动态槽式支承(dynamic groovebearing)17，以及可驱动载台7的电动机19。动态槽式支承17包括安装在载台7上的外支承件21，以及通过支撑件25和第二安装件27而安装到外壳1上的内支承件23。在外支承件21与内支承件23之间设有支承间隙29，其中填充了液体润滑剂，其在该实施例中为镓、铟和锡的合金。仅在图1中示意性示出的电动机19包括同样设于真空空间3中并安装在外支承件21上的转子31，以及设于真空空间3之外并安装在外壳1的外表面上的定子33。

在操作期间，源5产生电子束35，其经由垂直于主侧13而延伸的电子束路径37传送，并在撞击位置39处撞击在X射线发生材料9上。因电子束35的入射而由材料9产生的X射线41从真空空间3中经由窗口43发出，该窗口43设在外壳中并由对X射线来说为透明的材料制成，这种材料在该实施例中为铍。电子束35只有较少部分能量转变成X射线能量。电子束35的较大部分能量被载台7吸收，结果载台7在操作期间被显著地加热。在操作期间，由于载台7围绕旋转轴线15旋转，因此撞击位置39在X射线发生材料9的环形层上跟随相对于载台7来说为圆形的路径。结果，载台7在周向上被均匀地加热，因此避免了载台7出现过高的局部温度。由于载台7设在真空空间3中，因此，为避免载台7产生过高温度所需的从载台7到装置周围或到装置的冷却系统中的传热主要通过经由动态槽式支承17和其中的液体润滑剂的热传导以及源于载台7表面的热辐射来进行。

电子束35的一部分电子从撞击位置39处散射回来，因此电子束35的一部分能量转换成散射电子的能量。散射电子的主要部分被吸热件45捕获，吸热件45具有与载台7大致相同的电位，并设在真空空间3内的源5与载台7之间，即源5与撞击位置39之间。吸热件45相对于电子束路径37大致旋转对称，并具有用于电子束35的中央开口47和电子吸收面39，电子吸收面39朝向载台7，并将在下文中进一步介绍。吸热件45还可在操作期间用于吸收被加热的载台7所产生的至少一部分辐射热。作为吸收散射电子和辐射热的结果，吸热件45在操作期间被加热。如图2所示，吸热件45与装置的冷却系统51热连接，该冷却系统仅在图2中示意性地示出，并包括环形套筒53和环形热交换器55，环形套筒53由具有较高热导率的材料、在该实施例中为铜制成，环形热交换器55设有用于与环形套筒53直接热接触的冷却液的冷却通道系统。环形套筒53和环形热交换器55相对于电子束路径37同心地设置。

从上述电子束35的能量损失的角度来看，电子束35必须有非常高的能级以产生足够高能级的X射线41。在如图1和2所示的实施例中，源5适合于产生约200kW的电子束35。实验表明，吸热件45吸收了电子束35的约40％的能量。如果这一数量的被吸收能量从吸热件45瞬间传递到冷却系统51中的话，那么冷却系统51所必需的热容量和尺寸将大得无法接受，或者冷却系统会发生例如冷却液沸腾或冷却系统51的薄壁结构熔化等的问题。为了避免冷却系统51的这种相当大的热容量和尺寸以及避免上述问题，吸热件45的吸热能力以及吸热件45与冷却系统51之间的热连接的传热能力应设置成在操作期间，吸热件45的吸热率Q_A(单位为kW)要远大于经由热连接的传热率Q_T(单位为kW)。结果，吸热件45用来暂时存储吸热件45所吸收的热量，这样存储起来的热量在装置产生X射线41的期间以及在装置停止操作之后从吸热件45逐渐地传递到冷却系统51中。因此，为了防止吸热件45出现过高温度，必须间断性地使用该装置，即在第一时间段内产生了X射线41之后，装置应在第二时间段内停止工作，所述第一和第二时间段取决于电子束35的能级。例如在所示实施例中，可通过许多种不同的操作模式来使用该装置。在第一操作模式中，电子束35在第一时间段内具有200kW的能级。之后，装置应在第二时间段内停止工作，以允许装置的被加热部分重新冷却到接近冷却液温度的温度下。在第二操作模式中，电子束35在大约三倍于所述第一时间段的一段时间内具有100kW的能级，之后装置停止工作以重新冷却下来。在第三操作模式中，电子束35在大约七倍于所述第一时间段的一段时间内具有60kW的能级，之后装置停止工作以重新冷却下来。在第四操作模式中，装置在相当低能级的电子束35下连续地产生X射线41。

在根据本发明的装置中，通过使吸热件45与冷却系统51之间的热连接包括有可限制吸热件45与冷却系统51之间的每单位温差内经由该热连接而产生的传热率φ(单位为kW/K)的热障，就可以实现上述Q_A与Q_T之间的预期关系。应当注意的是，在所述传热率φ的定义中，所述温差是吸热件45的平均温度T_A与产生于热连接和冷却系统51之间的热边界处、即产生于冷却系统51中的冷却液与热连接直接热接触的位置处的温度之间的差异。在图1和2所示的第一实施例中，所述热障包括安装件57，吸热件45通过该安装件57而安装在源5与载台7之间的真空空间3中。由于安装件57的从平行于电子束35的方向X看去的尺寸h_B远小于吸热件45在该方向X上的尺寸h_A，使得安装件57具有相对较小的可用于传热的截面积，因此有效地减小了φ值。对φ值的预定限制可通过适当值的所述截面积、即适当值的h_B来实现。由于φ值、即吸热件45与冷却系统51之间的热连接的热导率受到限制，因此在产生X射线41的期间可允许并实现吸热件45的较高的最高温度。作为所述允许的较高最高温度的结果，仅要求吸热件45具有较小的尺寸和体积来为吸热件45提供足够高的吸热能力。在第一实施例中，吸热件45由钼制成，其具有约2600℃的较高熔化温度。或者，也可采用其它具有较高熔化温度的材料，例如钨或石墨等。通过这些材料，就可允许吸热件45具有约2000℃的较高温度，从而显著地减小吸热件45的所必需的质量和体积。

在图1和2所示的实施例中，由于安装件57由热导率小于用于制造吸热件45的材料的热导率的材料制成，因此可以进一步减小φ值。在该实施例中，安装件57由不锈钢制成，从其导热性能、热膨胀性能以及机械性能的角度来看，它是一种非常合适的材料。在第一实施例中，由于安装件57在吸热件45的背离载台7的第二侧59的附近与吸热件45热接触，因此便进一步减小了φ值。在操作期间，吸热件45在靠近该第二侧59处的温度低于吸热件45的平均温度T_A，并且低于吸热件45在靠近朝向载台7的第一侧61处的温度，因此进一步限制了Q_T。结果，在第一实施例中，Q_T具有约10kW的最大值。该值在平均温度T_A为约2000℃时产生。因此，φ值为约5W/K。为了使φ值与装置的总功率及容量相关联，将吸热件45与冷却系统51之间的热连接的传热系数θ(单位为K^-1)定义为θ＝φ/P_max，其中P_max(单位为kW)是装置的连续操作可允许的源5的最大输出功率。在第一实施例中，P_max为约25kW，因此θ为约0.0002K^-1。然而应注意到，对于较大值的θ而言，已经实现了吸热件45的质量和体积的大幅减小。已经发现，对于小于约0.0005K^-1的θ值来说，已经实现了在本发明意义内的吸热件45的质量和体积的有用且有利的减小。

由于吸热件45的最高温度非常接近于用于制造吸热件45的材料的熔化温度，因此应当避免在吸热件45中出现局部的过高温度。在图1和2所示的第一实施例中，由于吸热件45相对于电子束路径37大致旋转对称，并且安装件57相对于电子束路径37是环形的和同心的，因此就可实现这一点。结果，从吸热件45的周向上来看，吸热件45被从撞击位置39处散射回来的电子均匀地加热，并且吸热件45所吸收的热量从吸热件45经由安装件57均匀地传递到冷却系统51中。

由于电子吸收面49具有从撞击位置39来看为下凹的形状，因此就限制了特别是在电子吸收面49的附近出现局部过高温度的危险。已经发现，从撞击位置39处散射回来的电子的能级取决于电子相对于电子束路径37被散射回来的角度α，如图2所示。所述能级大致与sin(2α)成比例，因此所述能级从α＝0°时的大约为0增加到约α＝45°时的最大值。由于电子吸收面49是下凹的，因此如图2所示，电子吸收面49的可捕获以一定角度α散射回来的电子的那一部分dS(α)也在α＝0°与α＝45°之间增加。通过优化下凹的电子吸收面49的形状，就可实现电子吸收面49的每单位面积所吸收的能量在α＝0°与α＝45°之间是大致恒定的，因此至少在吸热面49的这一部分的附近显著地降低了出现局部过高温度的危险。对于α>45°而言，散射电子的能级重新下降，但吸热面49的可用部分进一步增大，因此在吸热面49的这一部分的附近不可能出现局部过高温度。

根据第一实施例的装置的另一优点在于，将吸热件45安装在真空空间3中所必需的安装件57还构成了吸热件45与冷却系统51之间的热连接中所必需的热障。结果，由于装置的部件数量受到限制，因此根据第一实施例的装置具有比较简单的结构。然而应当注意到，本发明还涵括了其中所述热障构成了该装置的附加部件的其它实施例。示意性地显示于图3中的根据本发明的装置的第二实施例也具有比较简单的结构，其中热障是设于吸热件45与冷却系统51之间的真空间隙63。在图3中，根据第二实施例的装置中的与图1和2所示的根据第一实施例的装置的部件相对应的部件由相应的标号来表示。在下文中将只介绍根据第一和第二实施例的装置之间的主要差异。

根据第二实施例的装置与根据第一实施例的装置的主要差异在于，第二实施例的吸热件45通过两个由绝热材料制成的安装件65，67而安装在真空空间3中。吸热件45包括圆柱形的外壁，其相对于电子束路径37同心并构成了吸热件45的辐射传热面69。环形套筒53包括圆柱形的内壁，其也相对于电子束路径37同心并构成了冷却系统51的辐射传热面71。真空间隙63设于所述辐射传热面69与71之间，它是环形的并也相对于电子束路径37同心。在该第二实施例中，从吸热件45到冷却系统51的传热主要是通过吸热件45的辐射传热面69经由真空间隙63到冷却系统51的辐射传热面71的热辐射来进行的，结果便有效地减小了吸热件45与冷却系统51之间的热连接的φ值和θ值。在该第二实施例中，通过辐射传热面69与71的适当的表面积值和真空间隙63的适当的宽度值w，便可实现预期的φ值和θ值。

Claims (10)

1.一种用于产生X射线的装置，所述装置包括可发出电子的源、可围绕旋转轴线旋转并设有可因电子的入射而产生X射线的材料的载台、设置在所述源与载台之间的吸热件，以及与所述吸热件形成热连接的冷却系统，其中在操作期间，所述吸热件的吸热率远大于经由所述热连接的传热率，其特征在于，所述吸热件和冷却系统之间的热连接包括热障，所述热障以预定的方式限制所述吸热件与冷却系统之间的每单位温差内经由所述热连接而产生的传热率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热连接的传热系数θ＝φ/P_max小于0.0005K^-1，其中所述φ是所述吸热件的平均温度与所述热连接和冷却系统之间的热边界处的温度之间的每单位差异内经由所述热连接的传热率，单位为kW/K，而所述P_max是在所述装置的连续操作期间所允许的所述源的最大输出功率，单位为kW。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热障包括安装件，所述吸热件通过该安装件而安装在所述装置上，所述安装件在从平行于所述源的电子束路径的方向看去时具有一定的尺寸，所述尺寸明显小于所述吸热件在所述方向上的尺寸。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吸热件相对于所述电子束路径大致旋转对称，所述安装件是环形的并相对于所述电子束路径同心。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述安装件由热导率小于用于制造所述吸热件的材料的热导率的材料制成。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述安装件由不锈钢制成。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吸热件具有朝向所述载台的第一侧和背离所述载台的第二侧，所述安装件在所述第二侧的附近与所述吸热件形成热接触。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热障包括设在所述吸热件的辐射传热面与所述冷却系统的辐射传热面之间的真空间隙。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸热件由钼、钨或石墨制成。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸热件的朝向所述载台的一侧具有电子吸收面，其从所述载台上的电子撞击位置来看是下凹的。

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