CN102468101A - X射线管热传递方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开的实施例涉及在X射线管(10)内的部件的热调节，以及更具体地涉及阳极(20)和由阳极(20)附连的旋转机构之间的热传递。例如，在一个实施例中，提供一种X射线管(10)。X射线管(10)一般包括固定轴(64)、围绕固定轴(64)被布置并且被配置用于通过旋转轴承(22，60)关于固定轴(64)旋转的旋转轴承座套(62)、围绕轴承座套(62)被布置并且被配置用于随轴承座套(62)一起旋转的电子束靶(20)、以及布置在靶(20)和轴承座套(62)之间并且配置用于在运行中在靶(20)和轴承座套(62)之间传导热的热传导的可变形的金属垫片(70)。

Description

X射线管热传递方法及系统
背景技术
本文公开的主题涉及在X射线管内的部件的热调节，以及更具体地涉及阳极和由阳极附连的旋转机构之间的热传递。
各种诊断的以及其他的系统可利用X射线管作为辐射源。在医学成像系统中，例如，X射线管作为X射线辐射源被用于投影X射线系统、荧光透视法系统、层析X射线照相结合术系统，以及计算机层析照相(CT)系统中。辐射在检查或者成像序列期间响应控制信号被发射。该辐射穿过感兴趣的受检者，例如病人，并且部分辐射撞击探测器或者照相底板，成像数据被收集于其上。在传统投影X射线系统中，照相底板然后被显影以产生图像，其可被放射线学者或者主治医师使用以用于诊断目的。在数字X射线系统中，数字探测器产生代表撞击探测器表面离散像素区域的辐射的量或者强度的信号。在CT系统中，当扫描架围绕患者被放置时，检测器阵列(包括一系列探测元件)产生穿过各个位置的类似信号。
X射线管典型地在周期中运行，该周期中包括产生X射线的时段以及与之交织的允许X射线源冷却的时段。在具有旋转阳极的X射线管中，在电子轰击期间在阳极处产生的大量热能限制了适合使用的电子束通量的量。这样的限制可降低X射线管产生的X射线的总通量。所产生的热可通过各种特征、例如冷却液以及其他X射线管部件来从阳极被移除。一个示例是通过轴的热传递。遗憾地是，对轴的不充分的热传递可能无法允许X射线管的连续运行，以及还可导致不适宜的X射线管温度，这能降低X射线管的期望使用寿命。因而，存在用于限制X射线管过热的方法的需要。具体地，当前已认识到存在对X射线管部件之间改进的热传递的需要。
发明内容
在一个实施例中，提供一种X射线管。该X射线管一般包括固定轴、围绕固定轴布置并且被配置用于通过旋转轴承关于固定轴旋转的旋转轴承座套(rotating bearing sleeve)、围绕轴承座套布置并且被配置用于随轴承座套一起旋转的电子束靶、以及布置在靶和轴承座套之间并且配置用于在运行中在靶和轴承座套之间传导热的热传导的可变形金属垫片。
在另一个实施例中，提供了一种X射线管，其一般包括固定轴、围绕固定轴布置并且被配置用于通过旋转轴承关于固定轴旋转的旋转轴承座套、围绕轴承座套布置并且被配置用于随轴承座套一起旋转的电子束靶、布置在靶和轴承座套之间并且配置用于在运行中在靶和轴承座套之间传导热的热传导垫片、以及径向围绕垫片布置的微粒收集器(particle trap)。
在又一实施例中，提供了制作X射线管的方法。该方法一般包括围绕固定轴布置旋转轴承座套、围绕轴承座套布置电子束靶(电子束靶在运行期间围绕轴承座套可旋转)、以及在靶和轴承座套之间布置热传导垫片以在运行期间在靶和轴承座套之间传导热。
附图说明
本发明这些和其他特征，方面和优点当参考附图(在其中：类似的字符表示遍及所有附图的类似部件)阅读了下面详细的描述时可以被更好地理解，其中：
图1是根据本公开的一个方面，具有配置成促进旋转阳极的一部分和由阳极附连的轴承座套的一部分之间的热传递的特征的X射线管的实施例的示意图。
图2是根据本公开的一个方面，具有在阳极的一部分和轴承座套之间布置的可变形垫片的图1的阳极组件的一部分的实施例的图示。
图3是根据本公开的一个方面，具有在阳极的一部分和轴承座套之间布置的可变形垫片以及微粒收集器的图1的阳极组件的一部分的实施例的图示。
图4是根据本公开的一个方面，图3的微粒收集器的实施例的图示，其中圆周凹槽是倾斜的。
图5是根据本公开的一个方面，图3的微粒收集器的实施例的图示，其中圆周凹槽是倾斜的。
图6是根据本公开的一个方面，图3的微粒收集器的实施例的图示，其中微粒收集器不具有圆周凹槽；以及
图7是根据本公开图示用于制造以及使用具有热传递特征的X射线管的方法的实施例的过程流程图。
具体实施方式
本实施例针对X射线管内的增强热传导。具体地，本实施例提供允许在X射线靶和旋转式支撑该靶的轴承之间的增强热传导的可变形垫片。该垫片还可允许相对于该靶附连于轴承处的表面的受限的靶位移。由于允许这样的受控位移，可以避免在旋转期间靶对轴承施加拉力，以及避免在旋转的部件和固定的部件之间导致的空隙的增加。还可提供微粒收集器以减少微粒从X射线靶、垫片和轴承之间形成的连接部中移出。
图1示出了可包括根据本方法配置成提供增强热传导特征的X射线管10的实施例。在图示的实施例中，X射线管10包括阳极组件12和阴极组件14。X射线管10由阳极和阴极组件支撑，封套16限定与周围环境相比相对低压(例如，真空)的区域。封套16可位于充满冷却媒介(例如油)的外罩(未示出)内，该冷却媒介围绕该封套16。该冷却媒介还可提供高压绝缘。
阳极组件12一般包括转子18以及在X射线管10(未示出)外、至少部分地围绕转子18以在运行期间引起阳极20的转动的定子。阳极20由轴承22旋转式支撑，轴承22可以是滚球轴承、螺旋槽轴承、或者类似的轴承。一般地，轴承22包括固定部分24以及由阳极20附连的旋转部分26。此外，如图示，X射线管10包括冷却液(例如油)可流过其中的中空部分28。轴承22以及它与阳极20的连接根据图2-5在下面进一步详细地被描述。在图示的实施例中，中空部分28穿过X射线管10的长度延伸，其被描述为跨骑结构。然而，应该注意的是在其他的实施例中，中空部分28可仅穿过X射线管10的一部分延伸，例如在当X射线管10在成像系统中被放置时的悬臂式配置中。
阳极20的前部形成为靶盘，其上形成有靶或者焦曲面(focalsurface)30。在运行期间，当阳极20旋转时，焦曲面30由电子束32撞击。阳极20可由任何金属或者复合物制造，例如钨、钼、铜、或者任何当用电子轰击时可实现轫致辐射的材料。阳极表面材料典型地被选择成具有相对高的耐火率以便耐受由电子撞击阳极20产生的热。在X射线管10运行期间，阳极20可高速(例如，100至200Hz)旋转以消散由电子束32撞击阳极20导致的热能。进一步，在阴极组件14和阳极20之间的空间可被抽空以使电子与其他原子的碰撞最小化并且使电势最大化。在某些X射线管中，超过20kV的电压在阴极组件14和阳极20之间产生，从而使得阴极组件14发射的电子变得由阳极20吸引。
电子束32由阴极组件14产生并且更具体地由阴极34产生，阴极34通过多个电导线36接收一个或者多个电信号。该电信号可以是使阴极34以一个或者多个能量以及以一个或者多个频率发射电子束32的定时/控制信号。阴极34包括中心绝缘外壳38，掩罩(mask)40从该外壳38延伸。掩罩40将导线36包封在内，导线36延伸至掩罩40末端安装的阴极杯42。在某些实施例中，阴极杯42用作静电透镜，其聚焦由杯42内的热离子灯丝发射的电子以形成电子束32。
当控制信号通过导线36被传送到阴极34时，在杯42内的热离子灯丝被加热并且产生电子束32。电子束32撞击阳极20的焦曲面30并且产生X射线辐射46，其被转移出X射线管10的X射线孔48。X射线辐射46的方向和取向可由X射线管10外产生的电磁场或者由在阴极34处的静电装置所控制。所产生的磁场一般可使X射线辐射46整形成聚焦束，例如图示的锥形束。X射线辐射46离开射线管10并且一般在检查程序期间被导向感兴趣的受检者上。
如上面提到的，X射线管10可被用在其中X射线源相对于患者被放置的系统中，例如在CT成像系统中，其中X射线辐射源在扫描架上绕感兴趣受检者旋转。相应地，X射线管10产生适宜的X射线通量使得避免在X射线管10在运动中时因不充分的X射线穿透率而产生的噪音，这是所希望的。为达到这样适宜的X射线通量，X射线管10一般可包括如上所提到的多个被配置成当产生X射线以及热能(当用电子束32轰击时)的阳极20在使用期间开始发热时允许热能消散的特征。控制这样的在X射线管中热的累积的一个特征是旋转阳极。进一步，根据本方法，一个或者多个特征可接近阳极20放置以促进从阳极20到X射线管10的其他部件的热传递。
图2示出了阳极组件12的一个实施例，其中阳极20由被液态金属材料润滑的螺旋槽轴承(SGB)60旋转式支撑。然而，如上提到的，本方法还应用于其中阳极20由其他旋转特征旋转式支撑的实施例，例如滚球轴承，以及类似的轴承。SGB 60的实施例可遵照标题为“INTERFACE FOR LIQUID METAL BEARING ANDMETHOD OFMAKING SAME”(用于液态金属轴承的界面以及其制作方法)2009年3月25日提交的美国专利申请序列No.12/410518中所述的实施例，通过引用将其全部公开完整地结合到本文中。SGB 60通过连接轴承座套62和轴承座套62在运行期间所围绕其而旋转的固定轴64而形成。
一般具有环形形状(其中心附近具有环形开口)的阳极20以这样的一种方式围绕轴承座套62被布置使得当轴承座套62旋转时引起阳极20的旋转。根据本实施例，垫片70在阳极20和轴承座套62之间被布置。在一般意义上，垫片70被配置成当阳极20作为电子轰击的结果而发热时促进从阳极20到轴承座套62热能的传递。进一步，例如在SGB60的旋转被利用以产生热能的实施例中，垫片70还可从轴承座套62传递热到阳极20。为允许这样的热传递，垫片70在轴承座套62的台肩74的轴面72之间被布置。这样的布置可有利于允许热量通过在固定轴64的冷却液流动通道76内循环的冷却液从轴承座套62移除。
垫片70可由或者包括多种能够进行热能传输的材料构造。根据本公开的一个实施例，垫片70可具有至少100瓦特每开尔文每米(W·K-1·m-1)的热传导率。在某些实施例中，热传导率可在约200和500W·K-1·m-1之间，或者至少约900、1000、3000、4000、或者5000W·K-1·m-1。如一个示例，垫片70可包括陶瓷材料、复合物或者纳米复合材料、石墨、或者金属。根据本实施例可被使用的材料可包括在使用X射线管10期间经历的温度下能够变形但仍基本保持其形状的贵金属。例如，该贵金属可以是银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、铂(Pt)、或者其合金或者其混合物。
垫片70有利地可变形使得允许垫片70填满阳极20表面以及轴承座套62轴面72中的任何凸凹不平。进一步，垫片70的可变形能力帮助解决阳极20和轴承座套62的表面的平整性。垫片70可根据X射线管10的部件的特定尺寸以及其他设计考虑因素而被定尺寸。为允许适宜的热传导，在垫片70纵向(例如，由SGB 60的轴线限定的方向)的厚度尺寸可确定在大约1微米(例如，1、2、3、5、或者10微米)与大约10毫米(mm)(例如，1、2、3、5、或者10mm)之间任意值。进一步，垫片70可仅部分地在轴承座套62的轴面72上延伸，可基本铺满轴面72的直径范围，或者可超出轴面72延伸。
应该注意的是，尽管在X射线管10的运行温度(其可接近或者超过约400℃)下，在垫片70和阳极20或者轴承座套62之间不存在明显的冶金学的接合。没有这样的冶金学接合可允许阳极20轴向(例如，在纵向方向)增长(当其由于电子轰击开始发热时)且不引起阳极20用力拉轴承座套62的台肩74。这样的拉力可引起SGB 60的空隙尺寸增加，其降低SGB 60在扫描架旋转期间可能支撑的负载。相应地，轴承座套62上没有拉力允许SGB 60基本保持圆柱状且无明显的变形。这可允许在将会是适宜的更高速度下的扫描架的旋转，这能减少检查序列所需要的时间和对患者或者感兴趣的受检者的总辐射照射。
如上所提到的，垫片70可由能够变形以使得在X射线管10的运行期间允许阳极20的轻微移动的软材料构造。因此可以理解的是，当X射线管10被使用时，例如作为阳极20、或轴承座套62的台肩74、或阳极20和轴承座套62的台肩74的组合所施加的剪切力的结果，垫片70的小微粒可被移走。这样的微粒在某些情况下对X射线管10的运行可以是有害的。例如，由微粒引起的电弧(例如，当微粒被电子束32撞击时)可发生，和/或者在管12内的真空可由于增加的微粒存在而被降低。
相应地，本方法还提供被配置成捕获由垫片70产生的微粒的特征。如果液态金属被用在靶和轴承座套之间的连接部，该特征还将用于捕获来自连接部处的液态金属。包括这样特征的X射线管10的实施例在图3中示出。具体地，图3的X射线管10的实施例包括(除垫片70之外)附加在阳极20上的微粒收集器80。微粒收集器80可以是阳极20的一部分，或者可通过螺钉、冶金学接合、或者其它方法和/或特征附连在阳极20上。
如图示，微粒收集器80包括圆周凹槽82，其配置成收集垫片微粒和/或液态金属。圆周凹槽82可如图4和图5所描述的采取任意数量形状和/或尺寸。而且，微粒收集器80可如图6所描述的不具有圆周凹槽。微粒收集器80还可采取各种形状，例如L形、V形、W形、Z形、或者它们的任意组合。在图3中所示的实施例中，微粒收集器80具有L形，其中长的部分一般与固定轴64平行且短的部分基本与固定轴64垂直，但应该注意的是该角度可根据各个设计考虑因素而变化。微粒收集器80的L形短的部分可具有间隙84使得允许阳极20关于轴承座套62的台肩70自由转动或者移动。相应地，间隙84可被保持在最小尺寸。然而，间隙84的尺寸可基于X射线管10的部件的尺寸、运行参数(例如，温度，旋转速度)，和/或构造这些部件所用的材料来确定。
在运行期间，阳极20关于固定轴64旋转，以及经由从其上突出的突出部，微粒收集器80关于固定轴64旋转。垫片70和轴承座套62也关于固定轴64旋转。因此，在微粒从垫片70形成的情况中，该微粒通过离心力被导向微粒收集器80的圆周凹槽82，这允许微粒收集器80保持真空，并且因此保持X射线管10内的电压。以这种方式，SGB 60的旋转使得在微粒收集器80内包含微粒。
如上面提到的，图4和图5示出了微粒收集器80的实施例，其中圆周凹槽82的形状不同。具体地，图4描述一个圆周凹槽82的实施例，其中它采取V形。当然，从阳极20表面的倾斜突出部(如图示角90)可变化。如一个示例，角90可在大约90和180度之间变化(例如，大约90、100、120、140、160、或者170度)。进一步，V形例如根据角92可变化，角92可在大约1和90度之间变化(例如，大约10、20、40、60、或者80度)。
图5示出如从阳极20的简单突出的微粒收集器80，其中微粒收集器80以角94从阳极20突出。角94的范围可控制圆周凹槽82的一般形状。如一个示例，改变角94可影响圆周凹槽82捕获微粒的能力。例如角94可在大约1和90度之间变化(例如，大约1、10、20、40、60、或者80度)。
在一个类似的实施例中，微粒收集器80如上提到的那样可不具有圆周凹槽82。图6是这样一个实施例的图示。在图5中，微粒收集器80是相对于固定轴64(图2和图3)基本平行突出的附加物。当图示的实施例的微粒收集器80不具有明显的圆周凹槽时，应该注意的是在运行期间，由垫片70(图2和图3)所产生的任何微粒，以及液态金属，可至少由于离心力而在微粒收集器80的表面上聚集。
根据本公开的另一个方面，图7通过过程流程图示出制作和使用具有热传导垫片和配备微粒收集器的X射线管的方法100。方法100一般由围绕固定轴布置轴承座套开始(框102)。轴承座套和固定轴之间的连接一般可被认为是轴承。如上实施例中提到的，该轴承可以是螺旋槽轴承。
在实施了由框102代表的动作后，热传导垫片围绕轴承座套被布置(框104)。该热传导垫片，如上提到的，被配置成在电子束靶(例如，阳极)和轴承座套之间传递热。相应地，电子束靶(例如阳极)然后围绕轴承座套被布置(框106)。尽管方法100被图示为先在轴承座套上布置垫片，再在轴承座套上布置靶，应该注意的是垫片可在靶之后被布置在轴承座套上。如一个示例，垫片可具有使其被推入轴承座套上的狭缝(slit)。如一个示例，电子束靶和垫片可具有环形形状且在它们各自中心带有环形开口，环形开口被配置成容纳轴承座套。
在实施了由框102-106所代表的动作以及任何其他的X射线管制造过程之后，X射线管可被使用。在使用中，轴承(例如，SGB)被旋转(框108)，接着用电子束轰击电子束靶(框110)。如上根据图1所提到的，电子束由具有热离子发射器的阴极组件产生。该电子束撞击电子束靶，其至少产生X射线和热能。至少一部分热能通过热传导垫片从电子束靶被传递至轴承座套(框112)。如先前讨论的，热传导垫片可以是软金属、石墨、或者类似的能在使用期间(例如，由于剪切力)产生微粒的材料。相应地，在使用期间，可由垫片所产生的微粒例如如上根据图4-6所描述的那样使用微粒收集器被捕获(框114)。
此书面描述使用示例公开本发明的实施例，其中包括最佳模式，并且还能使本领域的任何技术人员实践本发明，包括制作和使用任何设备或者系统，以及实施任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求所限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。这些其他的示例如果具有与该权利要求书的字面语言无不同的结构单元，或者它们包括了与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构单元则被规定为在该权利要求书的范围内。
部件列表
Figure BSA00000438382800101

Claims (10)

1.一种X射线管(10)包括：
固定轴(64)；
旋转轴承座套(62)，其围绕固定轴(64)布置并且被配置成通过旋转轴承(22，60)关于固定轴(64)旋转；
电子束靶(20)，其围绕轴承座套(62)布置并且被配置成与轴承座套(62)一起旋转；以及
热传导的可变形的金属垫片(70)，其被布置在靶(20)和轴承座套(62)之间并且配置成在运行中在靶(20)和轴承座套(62)之间传导热。
2.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述轴承座套(62)包括具有轴面(72)的台肩(74)，所述垫片(70)被布置在靶(20)和台肩(74)的轴面(72)之间。
3.如权利要求2所述的X射线管(10)，其中所述台肩(74)的轴面(72)仅通过所述垫片(70)与靶(20)热耦合。
4.如权利要求3所述的X射线管(10)，其中所述垫片(70)基本上在台肩(74)的整个轴面(72)上延伸。
5.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述垫片(70)包括银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、铂(Pt)、或者其混合物。
6.如权利要求1所述的X射线管(10)，包括围绕垫片(70)径向布置的径向微粒和/或液态金属收集器(80)。
7.如权利要求6所述的X射线管(10)，其中所述微粒和/或液态金属收集器(80)包括靶(20)的延长部。
8.如权利要求6所述的X射线管(10)，其中所述微粒和/或液态金属收集器(80)至少在垫片(70)的基本上整个宽度上延伸。
9.如权利要求6所述的X射线管(10)，其中所述微粒和/或液态金属收集器(80)包括用于捕获垫片(70)的微粒的圆周凹槽。
10.一种X射线管(10)包括：
固定轴(64)；
旋转轴承座套(62)，其围绕固定轴(64)被布置并且被配置成通过旋转轴承(22，60)关于固定轴(64)旋转；
电子束靶(20)，其围绕轴承座套(62)被布置并且被配置成随轴承座套(62)一起旋转；
热传导垫片(70)，其被布置在靶(20)和轴承座套(62)之间并且配置成在运行中在靶(20)和轴承座套(62)之间传导热；以及
微粒和/或液态金属收集器，其围绕垫片(70)径向布置。
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