CN1011368B - X射线管靶 - Google Patents

Abstract

一种用于X射线管的复合式的靶。它具有一个石墨衬底部分和一个金属部分，通过铂钎焊把这两部分焊接在一起。在该石墨部分上的钽润湿剂层由于导致铂更好地润湿石墨部分而起到改善所述焊接的作用。

Description

本发明一般地说涉及X射线管阳极靶，更具体地说，它涉及用于X射线管旋转阳极靶的复合结构。

随着对X射线管性能的要求的提高，制造者一直在寻找提高X射线管靶的效率和/或增长其寿命的方法。有一种方法曾经用石墨材料代替用于该靶体中的难熔金属、例如钼。石墨材料具有明显地高的热贮存容量和低密度的优点。提高热贮存容量为在更高温度下持续地工作创造了条件，而低的密度便于使用在承托材料上具有小的机械应力的较大的靶。

当人们超出通常使用的难熔金属而选用石墨材料时，除了获得如上所述的石墨靶的那些优点之外，也还存在某些有待解决的问题。首先，把该石墨体附着在X射线管的可旋转的阳极靶茎上比把一个金属圆盘附着在该靶茎上更困难。其次，当把焦点轨迹板直接加到石墨衬底时，从该焦点轨迹板到该衬底的热传导速率低于当把该焦点轨迹板加到金属衬底时的热传导速率。在某些工作条件下，这会导致该焦点轨迹板的过热和该靶的总的损坏。

用于获得每种通常使用的材料，即难熔金属和石墨的优点的一种公知的方法是用这两种材料组合成所谓的复合衬底结构。这种结构的一般特点是使用一个连接在阳极靶茎上的、在其正面已经固定一块环形的焦点轨迹板的难熔金属圆盘。同该阳极靶茎同心地附着在难熔金属的背面的、是一块石墨圆盘，该石墨圆盘实际上骑在该难熔金属圆盘的背上。这样一种组合保证了：（a）容易把该金属圆盘连接到该阳极靶茎上，（b）令人满意的从所述焦点轨迹板到该金属盘、然后又到该石墨圆盘的热流 动路径;以及（c）该石墨圆盘的增大的热存贮容量以及低的密度的特性。

在该复合式靶结构中，该金属部分一般由通称为TZM（钛-锆-钼合金）的钼合金构成。虽然在此应用中TZM是一种优先选用的材料，但是也可以用MT104来代替TZM。这种合金，除了钼之外还含有大约0.5%的钛、0.07%的锆和0.015%的碳。可以使用、并且曾经使用过包括纯的钼的其他金属。

在复合式靶的情况下，主要关心的问题之一是：以令人满意的方式把所述石墨部分附着在所述难熔金属部分上。除了显而易见的强度要求外（当考虑到高达每分钟10，000圈的旋转速度时，此要求是有重大价值的）还必须适应大约1，200℃的相对地高的工作温度以及所产生的高的热应力。此外，必须将所述金属和石墨元件适当地焊接、以便保证从所述金属部分到所述石墨部分的最佳的热传导。例如，实验已经证明，如果在这两部分之间存在空隙的话，那末在这些部分中的热传导特性将是不佳的。

用于把该石墨部分焊接到该金属部分的通常的方法是使用中间联接金属的炉中钎焊或者感应钎焊。因为锆具有极好的流动和浸润特性，所以一般已经将它用于上述目的。但是，随着使用锆而产生的一个问题是在所述锆和所述石墨之间的界面上形成了碳化物。因为该碳化物引起所述接合面变脆，所以接合面的强度即与所生成的碳化物的厚度成反比、又与该碳化物层的连续性成反比。所生成的碳化物的数量取决于该部件在制造期间和工作期间的热过程，可以适当地控制这两个过程的任一个，以便确保不生成不希望有的碳化物。

已经发现另外一些在靶的石墨部分和金属部分的连接中有用的材料。1979年3月20日颁布的、已转让给本发明的受让人的美国专利第4，145，632中公开了一组特别适合于这种连接的上述材料。已经发现，这些材料（特别是铂）由于它们具有对在石墨-铂交界面上生成的碳化 物的相对的不相容性，因此具有超过所述锆材料的明显的优点。

虽然在美国专利第4，145，632中所公开的这些技术和材料意味着在复合式X射线靶的焊接技术方面的重大改进，但是实验已经证明，这些技术和材料仍然将产生小比率的不能接受的焊接。人们相信，这些焊接事故的一部分发生在钎焊材料与石墨的交界面处。例如，在这种交界面内有时发现空隙。

因此，本发明的目的是提供一种利用具有优良的强度和热传导特性的钎焊连接的改进的复合式X射线管靶。

本发明的另一个目的是提供一种对复合式X射线管靶进行钎焊的方法，该方法使钎焊材料和石墨交界面上的空隙减至最小，从而使所述靶中的焊接强度和热传导达到最大值。

当参考如下的描述和附图时，本发明的这些目的和其他的特点及优点将变得更加容易明白。

简单说来，根据本发明的一个方面，在已成形的石墨部分上镀上一层相对地薄的润湿剂薄层（最好是钽）。然后把一个铂圆盘加到该钽薄层上，再把所述难熔金属部分安置在该铂圆盘上。此后，将该组合物加热到把这些材料钎焊在一起。在此过程中，所述铂是主要的粘合材料，而所述钽薄层起润湿剂的作用、以保证铂和石墨之间的良好的接触。

该润湿剂的功能一般是改善液体铂对所述石墨的润湿。实验已经证明，钽润湿剂显著地减小了铂在石墨上的润湿角。这反映出所述铂和所述石墨之间的更多的接触。

根据本发明的不同的方面，可以用物理气相淀积、化学气相淀积、等离子体喷镀、以钽的氢化物的形式喷涂或者甚至用钽的悬浮液进行丝网印刷（silk    screen）来形成所述钽薄层。一般说来，所述钽应当是具有2，000埃至10，000埃厚度范围的薄层;并且，其厚度最好是从2，500埃至5，000埃。该薄层应当足够地薄，使得在钎焊期间铂中的钽的溶度 不会达到极限值;通常，上面确定的范围将满足这个要求。

在如下文所描述的附图中，叙述了最佳实施例。但是，可以在本发明的精神实质和范围内，对它做出各种其他的改进和替换的结构。

图1是按照本发明所做的X射线靶的剖面图;

图1A是根据本发明的最佳实施例的X射线管靶的局部剖面图;

图2是表示本发明的最佳实施例的靶制造过程的工艺流程图。

现在参考图1，其中表示一个根据本发明的、用于旋转阳极X射线管中的靶或者阳极。总的用标号10表示的组件包含一个金属圆盘11，它具有一个加在其正面的、用于当受到来自阴极的电子轰击时以普通方式产生X射线的焦点轨迹板12。圆盘11由一种适当的难熔金属例如钼或者诸如TZM或者MT104的钼合金构成。配置在其上面的普通的焦点轨迹板由钨或者铼钨合金材料构成。用普通的方法、例如钎焊、扩散焊接或者机械连接的方法把圆盘11连接在阳极靶茎13上。

连接在金属圆盘11背面的是石墨圆盘部分14，借助总的用标号16表示的铂钎焊层来进行这种连接，下文中将描过这种焊接方式。石墨圆盘14的主要目的是为从焦点轨迹板12通过金属圆盘11传导过来的热提供一个散热装置。如果能够在不显著地影响所述靶组件的质量的情况下提供所述散热器功能，那是最好的。

现在回到钎焊层16，图1中将它表示成由两层构成。第一层23由纯铂构成。纯铂意味着没有所述润湿剂的铂。换句话说，在所述钎焊过程中没有显著数量的润湿剂进入层23中。第二层24由铂和润湿剂构成。在钎焊之前把所述润湿剂加到石墨部分14上。润湿剂的目的是增加铂在石墨上的液体润湿能力。在实际中，在低于所规定的厚度的条件下，钎焊层16的构成成分将大体上是均匀的。这一点表示在图1A中;除了钎焊层16由单一的铂层24a（具有接近均匀溶解在其中的钽）构成之外，图1A使用了与在图1中所使用的相类似的标号。

所述润湿剂最好能溶解在铂中，并且具有低的蒸汽压，使得在钎焊期间，它将不污染所述靶的焦点轨迹板。

实验已经表明，铂在石墨上的润湿角在70°至90°之间。润湿角指的是熔化的材料和固体衬底之间构成的角度。润湿角越接近90°，该熔化的材料对该衬底的润湿越不好。当熔化的材料没有很好地润湿衬底时，在该熔化的材料固化之后，人们很可能在交界面上发现空隙。相反，该润湿角越接近零度，所述衬底表面被润湿得越好。提高润湿的程度就减少了在焊接处出现空隙的可能性。

实验已经表明，包括钽和钼的某些材料，当以薄层的形式加到石墨上时，将使铂对石墨的润湿角降低到10°以下。专门的实验已经表明，该润湿角降低到4°至7°的范围内。人们相信，钨、铌和其他一些材料也可以使用。

以薄层的形式加在石墨上的润湿剂最好是足够地薄，使得钎焊期间不会达到该润湿剂在铂中的溶度极限、从而不构成金属间相。但是，如果该薄层是足够厚的，那末最好确保完整地复盖石墨的全部表面细节。

一些试验已经表明，钎焊之前形成的少量碳化物在钎焊过程中一般融解在铂中，因此这不构成钎焊中的问题。

所加的润湿剂的厚度一般应当在2，000埃至10，000埃之间。此厚度最好应当在2，500埃至5，000埃之间。

图2中描述了制造这种靶组件的方法。为了便于讨论，假定已经用普通的方法构成金属圆盘11和石墨圆盘14，而且或者圆盘11或者每一种圆盘具有用于以紧配合的关系安装该X射线管的阳极靶茎13的中心孔18。

首先清洗石墨部分14，特别要仔细清除将与金属部分11的平面21连接的平面19。最好用超声波清洗法或者其他合适的表面处理工艺来处理石墨部分14的表面，以避免在该管子工作期间分离出石墨粒子（撒粉）。

在石墨部分14加工之后，用热冲击的方法进一步处理它。进行热冲 击处理的方法是：在空气中把石墨加热到大约250℃至300℃的温度，然后把加热后的石墨快速地浸没在室温下的去离子水中。热冲击处理之后，对该石墨部分进行除气处理，其方法是：把安放在真空中加热到1900℃的高温、保温大约1小时。然后，处理后的石墨准备加上所述润湿剂、接着钎焊到金属元件上。

最好用TZM或者MT104构成该阳极靶的所述金属部分。用在石墨元件上的某些相同的步骤也被用在TZM或者MT104金属元件上。具体地说，为了除气，把TZM金属元件放在真空中烧至1900℃、保温大约1小时。除气之后，对将被附着到所述石墨表面上的该TZM元件的表面进行精加工、以校正该平面的平面度，因为在高温下的除气可能引起该金属的卷曲。精加工之后，通常用超声波木酒精槽清洗TZM金属元件。如果必要的话，也可以对将被焊接的表面进行弹射增韧处理。经过超声波清洗及随后的烘干之后，该TZM或者MT104金属元件就做好了同所述石墨元件焊接的准备。

制备所述石墨元件的最好的方法是用物理气相淀积法（PVD）把钽淀积到表面19上。可以用普通的方法掩蔽该平面上不涂敷钽的部分。PVD工艺的参数如下：

离子电流密度：最好是每平方厘米3至4瓦，但是每平方厘米1至4瓦也是可以接受的。

钽的纯度最好是至少99.95%。

PVD容器中氩气的压力最好是在3微米至10微米之间，但是0.5微米至20微米的范围也是可以接受的。

靶电压最好是在2至2.5千伏范围内，但是也可以在1至3千伏的范围内。

虽然物理气相淀积法是最好的方法，但是也可以用如下的方法把所述润湿剂加到该石墨衬底上：悬浮液丝网印刷技术、等离子体喷镀技术、 化学气相淀积;或者把钽的氢化物喷涂到所述石墨衬底上。

加上润湿剂之后，通过把铂垫圈或者铂箔片安置在暴露的润湿剂层和所述金属部分之间的方法来构成一个复合组件。最好通过把一个组件叠加在另一个组件顶部的方法同时形成若干组件、通常是三个或者四个。

照这样叠加之后，把一个重物（最好16磅左右）放在所述叠加的组件的顶部，然后把该叠层结构放进真空箱式炉中。一般将该炉子抽到大约10^-5乇的真空。所述工艺过程的第一步是把该炉子加热到大约1，800℃，并保持此温度大约5分钟、使铂能够熔化。然后使炉温在真空状态下冷却降到大约450℃。在450℃温度下，将氩气充入炉中、以强迫快速冷却到大约100℃。在此温度下打开炉子，以便将焊接好的阳极靶结构取出。

铂层的厚度最好是250，000埃至750，000埃，并且最好在比该钎焊材料的液相线温度高30℃的温度下进行钎焊。

虽然已经参照具体的实施例和例子对本发明作了描述，但是本专业的技术人员可以对上述见解做出各种改进和变更。因此应当指出，可以在所附带的权利要求的范围内，以不同于所具体描述的方式来实施本发明。

Claims (17)

1、一种复合式X射线管靶包括：一个具有安装在它上面的焦点轨迹板的难熔金属部分；一个石墨衬底部分和一个把所述石墨衬底部分连接到所述难熔金属部分的焊接层，其特征在于：所述焊接层包括一个铂层，所述铂层含有钽。

2、根据权利要求1的复合式X射线管靶，其特征在于：其中所述铂层包括一个纯铂层和一个向着所述石墨衬底的、含有溶解在其中的钽的铂层。

3、根据权利要求1的复合式X射线管靶，其特征在于：其中所述的铂层具有溶解的、均匀分布在其中的钽。

4、根据权利要求1的复合式X射线管靶，其特征在于：其中所述的焊接层是钎焊的以及其中由所述的焊接层构成的接合面是这样的以致该接合面能经受高达约1200℃的使用温度。

5、一种制造复合式X射线管靶的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

把一种润湿剂镀到石墨衬底上，所述润湿剂具有改善铂对石墨的液态润湿性的能力;

安置一层与所述润湿剂邻接的铂层;

安置一个与所述铂层邻接的、靶的难熔金属部分;以及

对该组件加热一段时间，并达到足以把该组件钎焊牢的温度。

6、权利要求5的方法，其特征在于：其中所述润湿剂是可溶解在铂中的。

7、权利要求5的方法，其特征在于：所述润湿剂使铂在石墨上的润湿角小于10°。

8、权利要求5的方法，其特征在于：所述润湿剂包括从由钽、钼、铌和钨构成的一组材料中选择的材料。

9、权利要求5的方法，其特征在于：所述润湿剂是钽。

10、权利要求9的方法，其特征在于：其中所镀的所述润湿剂的厚度是在2，000埃至10，000埃的范围内。

11、权利要求10的方法，其特征在于：其中所镀的所述润湿剂的厚度是在2，500埃至5，000埃的范围。

12、权利要求5的方法，其特征在于：其中用物理气相淀积技术来镀所述润湿剂。

13、权利要求5的方法，其特征在于：其中用等离子体喷镀法喷镀所述润湿剂。

14、权利要求5的方法，其特征在于：其中用悬浮液的丝网印刷法涂敷所述润湿剂。

15、权利要求5的方法，其特征在于：其中用喷涂钽的氢化物的方法来涂敷所述润湿剂。

16、权利要求5的方法，其特征在于：其中所镀的润湿剂的厚度足以确保完整地复盖所述石墨的全部表面细节，而且与它形成一种化学结合力。

17、权利要求5的方法，其特征在于：其中所镀的润湿剂足够地薄，使得在钎焊接期间所述润湿剂不析出具有所述铂的金属间相。

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