CN101438373B - 用于x射线管的阳极板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于X射线管的阳极板包括外部边缘、中心区域，以及沿外部边缘设置并朝向中心区域(210b)延伸的多个狭缝，所述多个狭缝中的每一个包括狭缝末端。阳极板还包括围绕一个或多个狭缝末端的外围的至少一部分设置的狭缝终止材料，所述狭缝终止材料可以降低狭缝末端处的张应力或压应力。

Description

用于X射线管的阳极板及其制造方法
本发明涉及X射线管，并且涉及X射线管中所用的阳极板及其相应的制造方法。
在用于诸如计算机断层摄影(CT)系统的诊断医学设备的X射线管中实现了阳极板(典型地以旋转圆盘的形式)。在正常操作状况下，阳极板承受由阳极的高旋转速度所导致的大机械压应力和张应力，并且承受由入射电子束撞击阳极表面产生的热量所导致的极高热负荷。这些机械应力和热应力使阳极表面退化，致使例如阳极板随时间流逝而开裂或翘曲。这些效应降低了阳极以及相应的X射线管的可用寿命。
图1A举例说明了一种传统旋转阳极板100的俯视图，其显示了热梯度和切向应力分布。外直径110代表电子束于其中冲击阳极板100的目标区域。入射电子束的大约99％的动能转化成热量，形成外直径110和内直径130之间的热梯度。由于热膨胀系数，在外直径处产生沿切线方向的机械压应力，而在内直径处产生沿切线方向的张应力。
图1B和1C举例说明了传统的阳极板设计，其中使用放射状狭缝140来降低前述张应力和压应力。特别地，放射状狭缝140从阳极的外部边缘朝向内部区域130延伸，放射状狭缝140具有圆形狭缝末端142以进一步降低阳极100上的机械应力。图1B进一步举例说明了在旋转和加载热负荷的过程中整个阳极板上的切向应力分布。由此可以看出，放射状狭缝140起到降低阳极板外部边缘处的应力的作用，但是在狭缝末端142处呈现出很大的压应力。图1C举例说明了在阳极旋转而不加载热负荷的过程中整个阳极板上的切向应力分布，其显示出狭缝末端142受到很高程度的张应力。
可能需要提供一种具有降低的张应力和压应力的阳极板，以便延长使用该阳极板的X射线管的可用寿命。
根据独立权利要求的用于X射线管的阳极板可以满足这一需求。
在本发明的一种实施方式中，提供了一种用于X射线管的阳极板，该阳极板包括沿外部边缘设置并朝向中心区域延伸的狭缝，狭缝中的每一个终止于狭缝末端。该阳极板还包括围绕一个或多个狭缝末端的外围的至少一部分设置的狭缝终止材料。该狭缝终止材料可以降低张应力或压应力，该张应力或压应力可能由于如上所述的阳极的旋转和/或加热而在狭缝末端处产生。
在本发明的另一实施方式中，制造用于X射线管的阳极板的方法包括形成具有外部边缘和中心区域的阳极板的操作，该阳极板包括沿外部边缘设置并朝向中心区域延伸的多个狭缝，多个狭缝中的每一个包括狭缝末端，该制造方法还包括围绕一个或多个狭缝末端的外围的至少一部分沉积狭缝终止材料，该狭缝终止材料可以降低狭缝末端处的张应力或压应力。
在本发明的又一实施方式中，提出了一种X射线管，其具有可以提供用于轰击阳极的电子流的阴极，以及根据本发明的阳极板。
可以看作本发明的示例性实施方式的要点的是，在狭缝末端处沉积狭缝终止材料以降低操作过程中在狭缝末端处产生的压应力和张应力，由此延长阳极板以及相应的该阳极板用于其中的X射线管的可用寿命。
下面描述根据本发明的X射线管的阳极的示例性特征和细化，尽管这些特征和细化也将应用于制造系统。
在任选实施方式中，阳极板和狭缝末端一般可以是圆形形状。进一步示例性地，将狭缝终止材料(230)设置为围绕狭缝末端的外围的至少二分之一，并进一步任选地围绕狭缝末端的基本整个外围。作为进一步的示例性实施方式，可以在阳极板的内环中形成狭缝终止材料，由此一个或多个狭缝的狭缝末端与狭缝终止材料的内环相互交叉。狭缝终止材料的示例性实施方式可以从包括Ti、V.Ta、Nb、Re及其合金的易延展难熔金属的群组中进行选择。进一步任选地，狭缝终止材料可以由Ni基高温合金、纤维增强材料或具有高断裂韧性的材料形成。
下面描述根据本发明的X射线管阳极的制造方法的示例性特征和细化，尽管这些特征和细化也可以应用于前述制造方法。
在制造方法的一种实施方式中，阳极板和狭缝末端一般可以形成为圆形形状。进一步示例性地，任选地围绕一个或多个狭缝末端的外围的至少二分之一沉积狭缝终止材料。在又一任选实施方式中，将狭缝终止材料以内环的形式沉积在阳极板上，由此一个或多个狭缝的狭缝末端与狭缝终止材料的内环相互交叉。在另一任选实施方式中，在阳极板中意欲设置狭缝末端的位置处提供第一孔洞。接下来，在第一孔洞内沉积狭缝终止材料。接下来，在所沉积的狭缝终止材料内提供第二孔洞，该第二孔洞形成狭缝末端。接下来，将狭缝从狭缝末端延伸到阳极板的外部边缘。狭缝终止材料可以由包括Ti、V.Ta、Nb、Re及其合金的易延展难熔金属或者Ni基高温合金组成。
前述方法的操作可以通过计算机程序来实现，即通过软件或通过使用一个或多个专用电子最优化电路，即以硬件或以混合/固件形式，即由软件组件和硬件组件构成。该计算机程序可以实现为诸如JAVA、C++的任何适当编程语言中的计算机可读指令代码，并可以存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)中，指令代码可以对其他此类可编程设备的计算机进行编程以执行预想的功能。该计算机程序可以从诸如万维网的网络获得，即其可以从该网络上下载。
根据以下描述的实施方式，本发明的这些和其他方面将变得明显，并且通过参考该实施方式进行阐述。
通过参考下列附图，以下将描述本发明的示例性实施方式。
图1A-图1C举例说明了用于X射线管的传统阳极板的俯视图，并相应地显示了其上的热梯度和切向应力分布；
图2A举例说明了根据本发明用于X射线管的阳极板的第一示例性实施方式；
图2B举例说明了根据本发明用于X射线管的阳极板的第二示例性实施方式；
图3举例说明了根据本发明制造用于X射线管的阳极板的示例性实施方式；
图4A-图4B举例说明了根据本发明在用于X射线管的阳极板上形成狭缝终止材料的内环的示例性过程；
图5举例说明了根据本发明具有使用阳极板的X射线管的计算机断层摄影系统。
为清楚起见，在先确认的特征在后续附图中保留其参考数字。
图2A举例说明了根据本发明用于X射线管的阳极板的第一示例性实施方式。阳极板210包括沿外部边缘210a设置并朝向中心区域210b延伸的狭缝220，狭缝220中的每一个终止于狭缝末端222。阳极板210还包括围绕一个或多个狭缝末端222的外围的至少一部分设置的狭缝终止材料230。狭缝终止材料230可以降低张应力或压应力，该张应力或压应力可能由于如上所述的阳极的旋转和/或加热而在狭缝末端222处产生。
在本发明的特定实施方式中，阳极板210一般是圆形形状，尽管作为替代可以采用其他形状。进一步示例性地，狭缝末端222一般可以是圆形形状，尽管在本发明的其他实施方式中也可以实现不同的几何形状。
将狭缝终止材料230至少部分地围绕一个或多个狭缝末端222的外围设置。在一种实施方式中，狭缝终止材料230围绕一个或多个狭缝末端220的外围的至少一半延伸，而在另一实施方式中，如图2A所示，狭缝终止材料基本围绕整个狭缝末端外围延伸。术语“狭缝末端外围”指的是除狭缝220本身之外的、一部分阳极板位于其周围的狭缝末端222的外围。阳极板210可以由诸如Mo合金的传统材料构成。狭缝终止材料230可以是诸如Ti、V、Ta、Nb、Re或其合金等易延展难熔金属。作为替代，Ni基高温合金可以用于狭缝终止材料230。进一步示例性地，呈现高延展性、高断裂韧性和低杨氏模量的材料或纤维增强材料可以用作狭缝终止材料230。
图2B举例说明了根据本发明用于X射线管的阳极板的第二示例性实施方式，其中在先描述的特征保留其参考数字。在这一实施方式中，阳极板210包括狭缝终止材料230的内环250，由此一个或多个狭缝的狭缝末端222与狭缝终止材料230的内环250相互交叉。在所示的特定实施方式中，狭缝终止材料230围绕狭缝末端222的整个外围延伸。在可替代实施方式中，内环250的定位和/或宽度是这样的：使得没有覆盖狭缝末端222的整个外围，例如覆盖外围的一半、外围的四分之一或更少。对于半径为R的一般圆形阳极板，示例性的狭缝和孔洞尺寸可以如下：狭缝220的宽度：0.001*R至0.02*R；狭缝220的长度：0.2-0.8*R；狭缝末端222的半径：小于0.02*R；围绕狭缝末端222的至少一部分设置的狭缝终止材料230的半径：0.005*R至0.2*R；狭缝终止材料的内环(250，当采用时)的宽度：0.005*R至0.2*R。
图3举例说明了根据本发明制造用于X射线管的阳极板的示例性实施方式。最初在312，形成具有从阳极板的外部边缘210a朝向中心区域210b延伸的多个狭缝(220)的阳极板210。在示例性实施方式中，阳极板一般形成为圆形形状，尽管可以根据本发明使用其他形状。进一步示例性地，缝末端222一般形成为圆形形状，尽管可以根据本发明使用其他形状。
接下来在314，围绕一个或多个狭缝末端220中的一个的外围的至少一部分沉积狭缝终止材料230，狭缝终止材料230可以降低一个或多个狭缝末端222处的张应力或压应力。在这一过程的特定实施方式中，围绕狭缝末端222中的每一个的外围沉积狭缝终止材料，尽管在其他实施方式中，一个或多个狭缝末端可以不包括狭缝终止材料。进一步示例性地，可以围绕一个或多个狭缝末端222的外围的至少一半沉积狭缝终止材料230，例如，如图2A和图2B所示基本围绕狭缝末端222的整个外围延伸。当然，其他实施方式也是可能的，例如，狭缝终止材料可以围绕小于狭缝末端222的外围的一半延伸，例如，狭缝末端外围的四分之一。
在314的第一具体过程中，在阳极板上形成狭缝终止材料的内环250，由此一个或多个狭缝末端222与内环250相互交叉。可以利用例如粉末冶金、等离子喷涂或本领域已知的这种类似技术来沉积狭缝终止材料的内环250。
图4A-图4B举例说明了314的第二具体过程，其中围绕狭缝末端222的外围的至少一部分形成狭缝终止材料230。最初，在阳极板210中意欲设置狭缝末端的位置处提供(例如钻孔、刻蚀、机械加工等)第一孔洞410。接下来，用狭缝终止材料230填充第一孔洞410。进一步示例性地，在孔洞410内放入由狭缝终止材料230制成的螺钉，并通过例如铜焊接将该螺钉连接到板210。图4A举例说明了所得到的结构。
接下来，在狭缝终止材料230内提供第二孔洞420，第二孔洞420形成狭缝末端222。随后，将狭缝220从狭缝末端222/420延伸(例如通过钻孔、刻蚀、机械加工等)到阳极板的外部边缘210a。图4B举例说明了所得到的结构。
图5举例说明了根据本发明具有使用阳极板的X射线管530的计算机断层摄影(CT)系统(锥形束)。CT系统500包括台架501，X射线管530和相对的探测器515在其中旋转以提供位于二者之间的病人510或对象的X射线图像。在X射线管530内，阴极可以产生用于轰击阳极板的电子束，阳极板作为响应发射X射线穿过X射线透明材料/窗口以照亮病人510或对象。马达控制单元520和525控制X射线管530和病人平台512的运动。如上所述，阳极的高旋转速度和表面热量在阳极上产生显著的压应力和张应力。本发明提供具有降低的压应力和张应力的阳极板，因此延长X射线管的可用寿命，并进而实现更少的维护和CT系统的更高的可靠性。
总而言之，可以看作本发明的一个方面的是，给出了一种用于X射线管的具有狭缝的阳极板，该阳极板可以降低狭缝末端上的压应力和张应力。该阳极包括从板的外部边缘朝向中心区域延伸的多个狭缝，狭缝中的每一个包括狭缝末端。在狭缝末端上设置狭缝终止材料。狭缝终止材料可以降低狭缝末端处的张应力或压应力。
本领域技术人员应该容易认识到，可以适当地在硬件、软件、固件或这些实现方式的组合上实现所描述的过程。此外，可以将所描述的过程中的一些或全部实现为驻留在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式处理器等)中的计算机可读指令代码，该指令代码可以对其他此类可编程设备的计算机进行编程以执行预想的功能。
应该注意的是，除非特别指明，术语“包括”并不排除其他特征，且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。此外应该注意的是，结合不同实施方式所描述的元件可以进行组合。还应该注意的是，权利要求中的参考符号不应被解释为对权利要求范围的限制。
为了举例说明和描述的目的给出了前述说明。并不希望该说明是穷举的，或者将本发明限制到所公开的精确形式，并且很明显，根据所公开的教导很多修改和变化是可能的。选择所描述的实施方式是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用以便因此使本领域技术人员能够最好地利用各种实施方式中的本发明以及适用于预期特定用途的各种修改。希望本发明的范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (17)

1.一种用于X射线管的阳极板(210)，所述阳极板(210)包括外部边缘(210a)、中心区域(210b)，以及沿所述外部边缘(210a)设置并朝向所述中心区域(210b)延伸的多个狭缝(220)，所述多个狭缝(220)中的每一个包括狭缝末端(222)，所述阳极板还包括：
狭缝终止材料(230)，围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的外围的至少一部分设置所述狭缝终止材料，所述狭缝终止材料(230)可以降低所述狭缝末端(222)处的拉应力或压应力。
2.如权利要求1所述的阳极板，其中，围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的外围的至少二分之一设置所述狭缝终止材料(230)。
3.如权利要求1所述的阳极板，其中，围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的整个外围设置所述狭缝终止材料(230)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的阳极板，其中，在所述阳极板的内环(350)中形成所述狭缝终止材料，其中，一个或多个所述狭缝的所述狭缝末端(222)与狭缝终止材料的所述内环(350)相互交叉。
5.如权利要求1-3中任一项所述的阳极板，其中，从包括Ti、V.Ta、Nb、Re及其合金的易延展难熔金属的群组中选择所述狭缝终止材料(230)。
6.如权利要求4所述的阳极板，其中，从包括Ti、V.Ta、Nb、Re及其合金的易延展难熔金属的群组中选择所述狭缝终止材料(230)。
7.如权利要求1-3中任一项所述的阳极板，其中，所述狭缝终止材料(230)包括Ni基高温合金。
8.如权利要求4所述的阳极板，其中，所述狭缝终止材料(230)包括Ni基高温合金。
9.一种用于CT系统的X射线管(500)，包括：
阴极(530)；和
如权利要求1所述的阳极(210)。
10.如权利要求9所述的X射线管，其中，围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的外围的至少二分之一设置所述狭缝终止材料(230)。
11.如权利要求9所述的X射线管，其中，围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的整个外围设置所述狭缝终止材料(230)。
12.如权利要求9-11中任一项所述的X射线管，其中，在所述阳极板的内环(350)中形成所述狭缝终止材料，其中，一个或多个所述狭缝的所述狭缝末端(222)与狭缝终止材料的所述内环(350)相互交叉。
13.一种制造用于X射线管的阳极板的方法，所述方法包括形成具有外部边缘(210a)和中心区域(210b)的所述阳极板(210)，所述阳极板包括沿所述外部边缘(210a)设置并朝向所述中心区域(210b)延伸的多个狭缝(220)，所述多个狭缝(220)中的每一个包括狭缝末端(222)，所述方法还包括：
围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的外围的至少一部分沉积狭缝终止材料(230)，所述狭缝终止材料(230)可以降低所述狭缝末端(222)处的拉应力或压应力。
14.如权利要求13所述的方法，其中，沉积狭缝终止材料(230)的所述步骤包括围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的外围的至少二分之一沉积狭缝终止材料。
15.如权利要求13所述的方法，其中，沉积狭缝终止材料(230)的所述步骤包括围绕一个或多个所述狭缝末端(222)的整个外围沉积狭缝终止材料。
16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其中，沉积狭缝材料230的所述步骤包括在所述阳极板上形成狭缝终止材料的内环(350)，其中，将一个或多个所述狭缝的所述狭缝末端(222)形成为与狭缝终止材料的所述内环(350)相互交叉。
17.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其中，沉积狭缝材料(230)的所述步骤包括：
在所述阳极板中意欲设置所述狭缝末端的位置处提供第一孔洞(410)；
在所述孔洞(410)内沉积所述狭缝终止材料；
在所述狭缝终止材料(230)内提供第二孔洞(420)，所述第二孔洞(420)形成狭缝末端(222)；以及
将狭缝(220)从所述狭缝末端(222)延伸到所述阳极板(210)的所述外部边缘(210a)。
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