CN102224558B - 包括液态热链路的可旋转阳极和x-射线管 - Google Patents

Abstract

在X-射线管的可旋转阳极(4)中，通过在阳极盘(4a)和第二轴承元件(11)之间的间隙(16a、b)中提供接触材料(14)，实现了在阳极(4a)的旋转盘和第二轴承元件(11)之间的热传递。接触元件(15)从第二轴承元件(11)突出到接触材料(14)中，从而允许将热量从阳极盘(4a)经由接触材料(14)和接触元件(15)传递至第二轴承元件(11)。

Description

包括液态热链路的可旋转阳极和X-射线管

技术领域

本发明总体涉及一种X-射线管技术。

更具体而言，本发明涉及用于生成X-射线的可旋转阳极、包括可旋转阳极的X-射线管以及包括X-射线管的X-射线系统。

具体而言，本发明涉及包括在阳极和用于旋转X-射线管中的阳极盘的轴承元件之间的液态热链路的可旋转阳极。

背景技术

X-射线管例如在用于医学应用的X-射线系统中采用。X-射线管用于生成电磁辐射，所述电磁辐射例如可以用于医学成像应用。

通常，在真空外壳内的阴极和阳极之间加速电子以产生X-射线。电子撞击阳极上称为焦斑的一部分，从而生成电磁辐射。

可以认为X-射线生成非常低效，因为所施加的能量的大部分转换成了热。特别是在焦斑处的热扩散可以认为是X-射线管的主要限制因素中的一个。

通过采用旋转阳极，电子的撞击的区域、焦斑可以认为是旋转阳极盘表面上的非固定区域。

因此，通过旋转所述阳极，作用在焦斑以及因此作用在阳极上的热负荷可以扩散到更大的区域，充分增加X-射线管的功率。

相应的旋转阳极X-射线管可以在诊断系统中生成X-辐射。X-射线管的阳极可以在运行时加热，并且可以在之后冷却。该热循环可以引起管部件的热机械变形(distortion)，因此可能需要将管设计成在所有应用条件下可靠地运行。

因此，高性能X-射线管可以使用液压轴承来支撑旋转阳极，同时通过直接管道冷却将热从阳极扩散至外部冷却流体。由于真空管外壳，用于去除热量的其他方法(例如通过对流)可能难以实现。

然而，阳极的热传导性可能受阳极盘和轴承之间的通气(breathing)“真空”间隙的限制。相应的间隙可以补偿各个阳极部分、尤其是盘状阳极元件由于在运行期间的受热和在X-射线系统的运行之后的冷却而造成的尺寸的膨胀和/或收缩。

此外，“通气”真空间隙可能需要将阳极和轴承轴对齐以补偿热应力。

JP 05-003008A和JP 2005-123085A公开了旋转X射线管。

发明内容

因此，需要对可旋转阳极的至少各个独立部分的提供增强的冷却。

根据独立权利要求，提供了用于生成X-射线的可旋转阳极、包括根据本发明的可旋转阳极的X-射线管以及包括根据本发明的X-射线管的X-射线系统。

根据本发明的示范性实施例，提供了用于生成X-射线的可旋转阳极，其包括轴承，所述轴承包括第一轴承元件和第二轴承元件，其中，第二轴承元件可以绕第一轴承元件旋转。

此外，可旋转阳极包括布置在第二轴承元件处的阳极元件、布置在第二轴承元件和阳极元件之间的开口或间隙，其中，所述开口至少部分填充有接触材料和具有第一端和第二端的至少一个接触元件，其中，第一端布置在第二轴承元件处，并且其中，布置第二端以延伸到接触材料内。

根据本发明另一示范性实施例，提供了一种X-射线管，其包括具有阴极元件和根据本发明的可旋转阳极元件的X-射线源，其中，阴极元件和可旋转阳极可操作地耦合用以生成X-射线。

根据本发明另一示范性实施例，提供了一种X-射线系统，其包括根据本发明的X-射线管和X-射线探测器，其中，对象可以布置在X-射线管和X-射线探测器之间，并且其中，X-射线管和X-射线探测器可操作地耦合，从而使得可获得对象的X-射线图像。

可旋转阳极可以包括液压轴承，以允许盘状阳极元件的旋转，从而在生成X-射线的同时连续改变焦斑。相应的轴承可以包括第一轴承部分和第二轴承元件，所述第一轴承部件可以是基本静止的，并且其可以用于将旋转阳极附接在X-射线管的真空空间中。

第二轴承元件可以设置在第一轴承元件上，以使得其可以相对于第一轴承元件移动，特别是绕第一轴承元件旋转。

包括焦斑的盘状阳极元件可以附接到旋转轴承元件，即第二轴承元件。阳极盘例如可以通过非刚性连接附接到第二轴承元件，例如可以通过采用螺母而夹钳到第二轴承元件上，所述螺母提供了压迫力以将阳极盘附接到第二轴承元件的突出部分上。

由于阳极盘在运行期间可以受热并且可以在之后冷却，可以在阳极盘和第二轴承元件之间提供间隙或开口，以允许阳极盘尺寸的膨胀或收缩，例如由于在运行期间受热时的热膨胀。

因此，通过提供相应的间隙、即通过将轴承和阳极盘布置成径向间隔开的布置，可以避免影响阳极盘性能的热应力。

然而，由于是在真空X-射线管的情况下，基本上不包括材料的间隙被认为提供用于冷却阳极盘的差的热传导。

因此，可以在阳极盘和可旋转轴承元件、特别是和第二轴承元件之间的间隙内，可以提供一层接触材料，例如，类似铟锡合金的接触材料。

当阳极盘的温度超过材料/金属的熔点(例如对于InSn而言为110℃)，可以认为接触材料/金属是液态的。

在熔融温度以下，可以认为接触金属是凝固的，同时保持相对柔软，类似例如焊锡。

接触金属可以由密封(seal)包含在间隙中。例如，可以在一端提供已固定的密封，而可以在间隙的另一端提供柔性的毛细力密封，例如弹簧钢圈。可能要求例如钢圈的密封和轴承元件之间的间隙的尺寸为亚微米级，以避免接触材料的泄漏。

在阳极旋转期间，由于旋转力，将(液态)接触材料压迫至间隙的最外侧部分，因而可以基本上与阳极盘的内表面对其，形成间隙的一部分。

为了即使在旋转期间仍提供优选的热传导性，至少一个接触元件可以在阳极盘的方向上从旋转轴承元件上突出，并且至少部分地浸没在接触材料中。

例如，尖锐的边翼可以从旋转轴承元件径向伸出到接触材料的液态层中以提供热接触，用于将热量从阳极扩散至旋转轴承元件。在旋转轴承元件附近可能存在一些真空空间。

在X-射线管运行之后，通过阳极的冷却，可以认为接触材料基本上凝结或凝固。

由于进一步冷却造成的阳极盘温度降低，阳极直径还可能收缩。即使在已冷却的状态下，也可以认为接触材料相对柔软。在冷却时，尖锐的翼切入接触材料中。因此，阳极盘的收缩引起的、由此将接触材料压在接触元件上压迫力可以认为基本上是可忽略的。

可以认为例如锋利的边翼的至少一个接触元件与接触材料的接触是剪切接触。可以避免在冷却处理期间施加的朝向轴承部件和/或接触元件内部的大径向压力。

此外，由于接触材料可能仍然围绕着接触元件，例如压迫或迫使抵靠着尖锐的边翼和/或处在锋利的边翼之间，即使在接触金属的冻结状态也可以提供热接触。

可以认为热/热量转移基本上垂直于旋转阳极/阳极盘的旋转轴并且具体垂直于阳极盘径向延伸的方向。

在下文中，将具体参考用于生成X-射线的可旋转阳极来描述本发明的其他实施例。然而，这些说明还用于X-射线管和X-射线系统。

应当注意到，所主张的实体之间的单个或多个特征的任意改变和互换都是可预见的，并且落入本专利申请的范围和公开内容中。

根据本发明的另一示范性实施例，阳极元件可以附接到第二轴承元件，使得由于热扩张减少的尺寸改变可被吸收。

因此，可以避免由于在加热或冷却可旋转阳极的各个元件时的材料收缩和/或材料膨胀而可能发生的热应力。

具体而言，阳极元件可以附接到第二轴承元件，使得在尺寸膨胀/收缩的方向上，即在径向方向上，可以提供阳极元件和第二轴承元件之间的非直接接触。

根据本发明另一示范性实施例，热能量可以在选自下组中的至少两个元件之间传递，所述组包括阳极元件、接触材料、接触元件和第二轴承元件。

相应的特征可以分别提供对可旋转阳极和各个部件的大致均匀的受热和冷却。

此外，热能甚至可以例如经由液压轴承在第二轴承元件和第一轴承元件之间传递，以经由轴承元件、尤其是第一轴承元件的连接而消散热能。

根据本发明另一示范性实施例，接触材料可以是选自下组中的一种材料，所述组包括热传导材料、接触金属、例如熔融的铋和铟锡合金的液态金属。

使用相应的接触材料可以在减少发生机械应力的同时，具体在阳极元件、接触材料、接触元件和/或第二轴承元件之间，以及在已受热状态和已冷却状态之间提供热能的消散。

根据本发明的另一示范性实施例，轴承可以包括旋转轴，而至少一个接触元件可以布置成从第二轴承元件处的旋转轴径向地延伸。

就从第二轴承元件的旋转轴、例如垂直于旋转轴径向延伸的接触元件而言，可以认为该接触元件的延伸方向与运行时、即旋转时与间隙内的接触材料在移动方向基本上相同。

因此，可以实现接触元件和接触材料之间的优选接触。

根据本发明的另一示范性实施例，接触元件的第二端呈锥形，用于穿刺接触材料。

相应的特征可以允许在已冷却的状态下穿透(penetrate)接触材料，以避免机械应力。

根据本发明的另一示范性实施例中，接触元件的第二端适于形作为尖锐的边翼。

相应的接触元件可以提供优选的形状用于穿刺，从而实现与接触材料的接触，用于例如通过接触元件和接触材料之间的最大化的接触区域更好地进行热传递。

根据本发明的另一示范性实施例，接触元件和第二轴承元件可以集成地形成。

相应的特征可以允许经济化的制造，同时使接触元件和第二轴承元件之间的热能传递能力最大。

根据本发明的另一示范性实施例，可以借助于选自下组的至少一个元件将接触材料密封在开口或间隙中，所述组包括密封、固定的密封、柔性的密封、柔性毛细力密封、垫圈、石墨制垫圈、弹簧圈、弹簧金属圈和弹簧钢圈。

相应的密封可以允许紧密地密封间隙，尤其是间隙内的接触材料，同时仍然在不同热条件下，例如在运行期间的间隙膨胀、即温度更高的条件下以及冷却状态时的间隙容积减少的条件下，提供与阳极盘的膨胀或收缩相关的必要柔韧性。

参考下文所述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显然并得以阐述。

下文将参考附图描述本发明的示范性实施例。

附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件使用相似或相同的附图标记。

附图未按比例绘制，然而可以描绘定性的比例。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的示范性实施例的X-射线管的X-射线系统；

图2示出了根据本发明的示范性实施例的旋转阳极、尤其是阳极盘的平面图；

图3示出了根据本发明的示范性实施例处于热状态的旋转阳极的横截面视图；

图4示出了根据本发明的示范性实施例处于已冷却状态的旋转阳极的截面视图。

参考标记列表

1    X射线系统

2    X射线管

3    X射线探测器

4    可旋转阳极

4a   阳极盘

5    液压轴承

6       焦斑追踪

7       焦斑

8       可旋转阳极的内部

10      第一轴承元件

11      第二轴承元件

12a、b  封闭

13      螺帽

14      接触材料

15      接触元件

15a、b  接触元件的第一端、第二端

16a、b  开口/间隙

17      螺纹

18      剪切间隙

20      阴极元件

21      阳极的内侧

22      第二轴承元件的表面

23      对象

具体实施方式

现在参考图1，描绘了包括根据本发明的X-射线管的X-射线系统。

X-射线系统1包括X-射线生成单元(X-射线管)2和X-射线探测器3。X-射线管2与X-射线探测器3对齐，并且可操作地耦合以允许采集位于X-射线管2和X-射线探测器3之间的对象的X-射线图像。

根据图1的X-射线系统1可以安装在天花板上，并且包括多个移动自由度，从而允许灵活地对齐和定位X-射线系统，即具体为C-臂，用于例如在运行期间对对象23进行图像采集。

X-射线2包括可旋转阳极4和阴极元件20，用于生成X-辐射。

现在参考图2，描绘了根据本发明的示范性实施例的旋转阳极的平面视图。

阳极盘4a包括外轨道6、带焦斑7的焦斑轨道6。在运行期间，可以认为焦斑轨道6和焦斑7已受热，因而是热的。可以认为旋转阳极8的内部部分基本上比焦斑轨道6更冷却，并且可以用于将热量扩散至液压轴承5，包括第一轴承元件10和第二轴承元件11。

可以认为第一轴承元件10是静止的，而可以认为第二轴承元件11围绕第一轴承元件10、因而围绕旋转阳极盘4a旋转。

通过螺母13，可旋转阳极4的盘4a被附接到第二轴承元件11。

由环形箭头指示了旋转的示范性方向。

现在参考图3，描绘了根据本发明的示范性实施例处于热运行模式下的旋转阳极的截面视图。

第二轴承元件11围绕第一轴承元件10旋转。

由沿着第一轴承元件10的对称线指示了对称结构。

通过螺母13的压力，旋转阳极盘4a被附接到第二轴承元件11。螺母13将阳极盘4a紧固地压迫在第二轴承元件11的突出部分上。

密封12a、例如石墨制垫圈位于第二轴承元件11的突出部分和旋转阳极盘4a的表面之间。可以考到，螺母13将阳极盘压下至密封12a上。螺母13通过螺纹17a附接到第二轴承元件11，其允许螺母旋上/旋下第二轴承元件11，从而提供附接阳极盘4a所需的压力。

在旋转阳极4的盘4a和第二轴承元件11之间形成了开口或间隙16a。开口16部分地填充有接触材料14，由于在图3所描绘的运行模式下发生的旋转力，其在旋转阳极盘4a的侧部对齐。

为了提供热量从阳极盘4a传递至第二轴承元件11的有利路径，接触元件15从第二轴承元件11径向突出到接触材料14中，从而允许热量从阳极盘4a经由接触材料14传递至接触元件15，并且随后传递至第二轴承元件11。

在运行于根据图3的热状态时，可以认为接触材料14基本上是液态的。采用另一密封12b、毛细力密封12b，用于紧密但是尺寸有弹性的密封。密封12b处于已减压的状态。

由灰色色级指示阳极盘4a的温度，其中，焦斑7的区域基本上比更靠近轴承元件10、11的部件更热。

接触元件15包括布置在第二轴承元件22表面上的第一端15a以及布置在阳极盘21内侧上的第二端15b。

现在参考图4，描绘了根据本发明的示范性实施例处于已冷却状态的可旋转阳极的截面视图。

根据图4的各个元件可以与图3中的各个元件进行比较。

冷却了旋转阳极4的盘4a，因而当与根据图3的间隙16a相比时，由于当冷却时的热收缩，间隙16尺寸减小。

由于阳极盘4a的冷却，阳极21的内侧位于更靠近第二轴承元件22的表面，因而与图3相比，减小了间隙或开口16b的容积。

密封12b仍然弹性地密封开口16b，但是与图3中相比，被更为严重地压缩。在图4中，可以认为接触材料14是非液态的，但是仍然认为其是柔软和柔性的。

随着阳极21的内侧朝向第二轴承元件22的表面移动，在接触材料固化时，接触元件15穿刺或穿透到柔软但为固体的接触材料14中。

接触元件15的尖锐边缘向外伸到接触材料14中，并且提供剪切接触用于热传导。接触元件可以是盘状或独立的突起。可以认为在阳极收缩时，接触材料可以“避开”接触元件的边缘。

由于接触元件的穿刺效果，在冷却和切割接触材料时，可以出现小剪切间隙18。然而，接触元件15和接触材料14之间全表面接触，因而仍然可以提供热传递。

在图4中，密封12b、例如弹簧钢圈处于受压状态。

应当注意到，术语“包括”未排除其他元件和步骤，而“一”或“一个”不排除复数。同样地，可以组合参考不同实施例描述的要素。

应当注意到，权利要求中的附图标记不应理解为对权利要求的范围构成限制。

Claims (14)

1.一种用于生成X-射线的能旋转阳极（4），所述阳极（4）包括轴承（10、11），所述轴承（10、11）包括

第一轴承元件（10）；以及

第二轴承元件（11）；

其中，所述第二轴承元件（11）能够绕所述第一轴承元件（10）旋转；

阳极元件（4a），其被布置在所述第二轴承元件（11）处；

被布置在所述第二轴承元件（11）和所述阳极元件（4a）之间的间隙（16a、b）；

其中，所述间隙（16a、b）至少部分填充有接触材料（14）；

其中，所述接触材料在所述阳极元件（4a）和所述第二轴承元件（11）之间提供液态热链路；

至少一个接触元件（15），其用于在所述阳极元件（4a）和所述第二轴承元件（11）之间提供接触，并具有第一端（15a）和第二端（15b）；

其中，所述第一端（15a）被布置在所述第二轴承元件（11）处；并且

其中，所述第二端（15b）被布置成延伸到所述接触材料（14）内。

2.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述阳极元件（4a）附接到所述第二轴承元件（11），通过将所述阳极元件附接到所述第二轴承元件，使得在径向方向上提供所述阳极元件和所述第二轴承元件之间的非直接接触，从而能够吸收由于所述阳极元件（4a）的热膨胀和热收缩中的至少一种造成的尺寸改变，而不破坏所述阳极元件（4a）和所述第二轴承元件（11）之间的所述接触。

3.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

热能能够在选自下组的至少两个元件之间传递，所述组包括阳极元件（4a）、接触材料（14）、接触元件（15）和第二轴承元件（11）。

4.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述接触材料为熔点在阳极盘的工作温度之下的金属。

5.根据权利要求4所述的能旋转阳极，其中，

所述接触材料为铟锡合金。

6.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述轴承（10、11）具有旋转轴；并且其中，

所述至少一个接触元件（15）被布置成从所述第二轴承元件（11）处的所述旋转轴径向延伸。

7.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述接触元件（15）的所述第二端（15b）呈锥形，用于穿刺所述接触材料（14）。

8.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述接触元件（15）的所述第二端（15b）为尖锐的边翼。

9.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述接触元件（15）和所述第二轴承元件（11）集成地形成。

10.根据权利要求1所述的能旋转阳极，其中，

所述接触材料由密封包含在所述间隙中。

11.根据权利要求10所述的能旋转阳极，其中，

固定密封位于所述间隙的一端，而柔性毛细力密封位于所述间隙的另一端。

12.根据权利要求11所述的能旋转阳极，其中，

所述固定密封为石墨制垫圈，并且所述柔性毛细力密封为弹簧钢圈。

13.一种X-射线管（2），包括

阴极元件（20）；以及

根据权利要求1所述的能旋转阳极（4）；

其中，所述阴极元件（20）和所述能旋转阳极（4）能操作地耦合，用于生成X-射线。

14.一种用于检查对象的X-射线系统（1），所述X-射线系统（1）包括

根据权利要求10所述的X-射线管（2）；以及

X-射线探测器（3）；

其中，对象（23）能够布置在所述X-射线管（2）和所述X-射线探测器（3）之间；并且

其中，所述X-射线管（2）和所述X-射线探测器（3）能操作地耦合，使得能够获得所述对象的X-射线图像。