CN102468103A - 具有接合靶和轴承套筒的x射线管 - Google Patents

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Abstract

本文所公开的实施例涉及通过在阳极(20)与阳极(20)所附连的旋转机构之间传递热量的对X射线管(10)中的部件的热调节。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)设置并且配置成经由旋转轴承(60)相对固定轴(64)旋转的旋转轴承套筒(62)以及围绕轴承套筒(62)设置并且配置成随轴承套筒(62)一起旋转的电子束靶(20)。电子束靶(20)永久接合到轴承套筒(62)。

Description

具有接合靶和轴承套筒的X射线管
技术领域
本文所公开的主题涉及X射线管中的部件的热调节，更具体来说，涉及阳极与阳极所附连的旋转机构之间的热传递。
背景技术
各种诊断和其它系统可利用X射线管作为辐射源。在医疗成像系统中，例如，X射线管在投影X射线系统、荧光透视系统、层析X射线照相组合系统和计算机断层扫描(CT)系统用作X射线辐射源。辐射在检查或成像序列期间响应控制信号而发射。辐射穿过感兴趣受检者、如人患者，并且辐射的一部分碰撞到收集图像数据的检测器或照相底板。在常规投影X射线系统中，照相底板则经过显影以产生图像，它可由放射科医生或主治医生用于进行诊断。在数字X射线系统中，数字检测器产生表示碰撞到检测器表面的离散像素区域的辐射的量或强度的信号。在CT系统中，包括一系列检测器元件的检测器阵列当扫描架围绕患者移位时通过各个位置产生相似信号。
通常在循环中操作X射线管，循环包括与允许X射线源冷却的周期交织的生成X射线的周期。在具有旋转阳极的X射线管中，在电子轰击期间在阳极生成的大量热可限制适合使用的电子束通量的量。这类限制可降低由X射线管生成的X射线的总通量。所生成的热量可通过各种特征、如冷却剂和其它X射线管部件从阳极去除。一个示例是通过轴来传递热量。然而遗憾的是，对轴的低效热传递可能不允许X射线管的连续操作，并且还可能引起不适当的X射线管温度，这可降低管的预计有效使用寿命。因此，需要一种用于限制X射线管过热的方式。具体来说，现在认识到，需要X射线管的部件之间的改进热传递。
发明内容
在一个实施例中，提供一种X射线管。X射线管一般包括固定轴、围绕固定轴设置并且配置成经由旋转轴承相对固定轴旋转的旋转轴承套筒以及围绕轴承套筒设置并且配置成随轴承套筒一起旋转的电子束靶，电子束靶永久接合到轴承套筒。
在另一个实施例中，提供一种X射线管。X射线管一般包括：
固定轴；围绕固定轴设置并且配置成经由旋转轴承相对固定轴旋转的旋转轴承套筒，轴承套筒包括具有轴面(axial face)的台肩(shoulder)；围绕轴承套筒设置并且配置成随轴承套筒一起旋转的电子束靶；以及设置在台肩的轴面与电子束靶之间的接合层，用于将靶固定到轴承套筒。
在另一个实施例中，提供一种用于制作X射线管的方法。该方法一般包括：围绕固定轴设置旋转轴承套筒，轴承套筒包括具有轴面的台肩；围绕轴承套筒设置电子束靶，电子束靶在操作期间随轴承套筒一起是可旋转的；以及将靶和轴承套筒台肩的轴面相接合。
附图说明
通过参照附图阅读以下具体实施方式，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，附图包括：
图1是根据本公开的一个方面的X射线管的一个实施例的示意图示；其具有配置成便于旋转阳极的一部分与阳极所附连的轴承套筒的一部分之间的热传递的特征；
图2是根据本公开的一个方面的图1的阳极组件的一部分的一个实施例的图示，其中具有设置在阳极的一部分与轴承套筒之间的金属接合层；
图3是根据本公开的一个方面的图1的阳极组件的一部分的一个实施例的图示，其中具有设置在阳极的一部分与轴承套筒之间的金属硬钎焊(metal braze)以及配置成熔融金属硬钎焊的一对电极；
图4是根据本公开的一个方面的图1的阳极组件的一部分的一个实施例的图示，其中具有设置在阳极的一部分与轴承套筒之间的一对焊料层以及金属垫片，垫片和焊料层对配置成在从热源施加热量时熔融以形成合金；
图5是根据本公开的一个方面的图1的阳极组件的一部分的一个实施例的图示，其中具有设置在阳极的一部分和轴承套筒上的硬钎焊金属层以及设置在硬钎焊金属层之间的焊料，焊料和硬钎焊的金属层配置成在从热源施加热量时熔融以形成合金；
图6是示出根据本公开、用于制造和使用具有热传递特征的X射线管的方法的一个实施例的过程流程图。
具体实施方式
如上所述，X射线管的各种部件之间的热传导对于允许X射线管的持续使用以及高功率(即，高X射线通量)成像序列的利用会是重要的。可获益于高X射线通量的成像序列的一个示例是计算机断层扫描(CT)成像序列，其中X射线辐射源(即，包括X射线管的源)在扫描架上围绕感兴趣患者或受检者移位。由于X射线管围绕患者的运动，希望提供对于穿过感兴趣受检者并且以低噪声级来产生成像是充分的X射线的通量。相应地，持续地需要离开X射线管中的X射线靶的改进热传导。
对于一些X射线靶，可能存在多个设计考虑因素，包括热传导、限制靶移动的靶的固持以及轴承容差的维持。一般来说，在给定实现中可只针对这三个考虑因素中的两个。也就是说，靶的移动或者轴承的移动可受到控制。当前实施例针对X射线靶与螺旋槽轴承之间的刚性附连，它限制靶的不合需要的非旋转移动，同时保持靶与轴承之间的热传导。这种刚性附连通过可变轴承容差平衡了靶的相对运动的减小(这消除了微粒与不平衡的风险)，可变轴承容差可降低轴承能够支承的负荷。除了减小因过度加热引起的X射线靶破裂的风险之外，当前靶附连方法可将轴承保持在较低温度(＜400℃)。这种低轴承温度可缓解因螺旋槽轴承内部的液体金属材料的反应引起的过度金属间形成(intermetallic formatiion)的风险。
具体来说，当前实施例提在X射线靶的一部分与螺旋槽轴承的部件的一部分之间供金属接合层，参照图1和图2描述。金属接合层可通过各种方法来形成，包括经由电阻硬钎焊、经由与金属垫片的过渡液相接合和/或经由与硬钎焊金属层的过渡液相接合，其实施例参照图2-5来描述。一种制作和使用具有金属接合层的X射线管的方法参照图6来描述。
记住以上所述，图1示出根据当前方式的X射线管10的一个实施例，它可包括配置成提供增强热传导的特征。在所示实施例中，X射线管10包括阳极组件12和阴极组件14。X射线管10由限定与环境相比较低压力(例如真空)的区域的封套16中的阳极和阴极组件来支承。封套16可处于壳体(未示出)之内，壳体内填充有包围封套16的冷却介质、如油。冷却介质还可提供高电压绝缘。
阳极组件12一般包括转子18以及X射线管10外部、至少部分围绕于在操作期间使阳极20转动的转子18的定子。阳极20由轴承22旋转地支承，轴承22可以是滚珠轴承、螺旋槽轴承或类似轴承。一般来说，轴承22包括固定部分24以及阳极20所附连的旋转部分26。另外，如图所示，X射线管10包括空心部分28，冷却剂、如油可通过其中而流动。下面针对图2-5更详细地描述轴承22以及其与阳极20的连接。在所示实施例中，空心部分28延伸通过示为骑跨式(straddle)配置的X射线管10的长度。但是应当注意，在其它实施例中，空心部分28可以仅延伸通过X射线管10的一部分，例如在X射线管10在放置于成像系统时制成悬臂式的配置中。
阳极20的前部形成为靶盘，其上形成靶或焦面30。在操作期间，当阳极20旋转时，焦面30由电子束32撞击。阳极20可由任何金属或合成物复合材料来制造，例如钨、钼、铜或者在用电子轰击时有助于韧致辐射(Bremsstrahlung)(即，减速辐射)的任何材料。阳极的表面材料通常选择成具有较高耐高温性，以便耐受由电子碰撞阳极20所生成的热量。在X射线管10的操作期间，阳极20可高速(例如100至200Hz)旋转，以便散布产生于电子束32撞击阳极20的热能。此外，阴极组件14和阳极20之间的间距可抽空，以便使得电子与其它原子的碰撞为最小以及使电位为最大。在一些X射线管中，超过20kV的电压在阴极组件14与阳极20之间创建，从而使阴极组件14所发射的电子成为被阳极20吸引。
电子束32由阴极组件14、更具体来说由经由一系列电导线36接收一个或多个电信号的阴极34来产生。电信号可以是定时/控制信号，它使阴极34以一个或多个能量和以一个或多个频率来发射电子束32。阴极34包括中心绝缘管壳38，屏蔽40从其中延伸。屏蔽40包围导线36，导线36延伸到安装在屏蔽40端部的阴极杯42。在一些实施例中，阴极杯42用作静电透镜，它聚焦从杯42中的热离子丝所发射的电子，以便形成电子束32。
当控制信号经由导线36传送给阴极34时，杯42中的热离子丝被加热，并且产生电子束32。射束32撞击阳极20的焦面30，并且生成X射线辐射46，X射线辐射46从X射线管10的X射线孔径48向外疏散。X射线辐射46的方向和取向可由X射线管10外部所产生的磁场或者由阴极34处的静电部件来控制。所产生的磁场可一般将X射线辐射46成形为聚焦束，例如如图所示的锥形束。X射线辐射46离开管10，并且在检查过程期间一般被导向感兴趣受检者。
如上所述，X射线管10可用于其中X射线管10相对患者移位的系统中，例如X射线辐射源在扫描架上围绕感兴趣受检者旋转的CT成像系统中。相应地，可希望X射线管10产生适当通量的X射线，使得避免当X射线管10在运动的同时从不充分X射线穿透所生成的噪声。要实现这种适当的X射线通量，如上所述，X射线管10一般可包括多个特征，它们配置成允许当阳极20在使用期间开始加热时驱散热能，其中阳极20在被电子束32轰击时产生X射线和热能。控制X射线管中的热积聚的一种这样的特征是旋转阳极。此外，根据当前方式，一个或多个特征可设置在阳极20附近，以便于从阳极20到X射线管10的其它部件的热传递。
图2示出阳极组件12的一个实施例，其中阳极20由通过液体金属材料润滑的螺旋槽轴承(SGB)60旋转地支承。但是，如上所述，当前方式也可适用于其中阳极20由其它旋转特征、如滚珠轴承等等旋转地支承的实施例。SGB 60的实施例可与2009年3月25日提交的标题为“Interface For Liqui d Metal Bearing And Method of MakingSame(液体金属轴承的界面及其制作方法)”的美国专利申请序号12/410518中所述一致，通过引用将其公开完整地结合到本文中。SGB60通过轴承套筒62以及轴承套筒62在操作期间所围绕其而旋转的固定轴64的结合(joining)来形成。
一般具有在其中心带有环状开口的环形的阳极20围绕轴承套筒62设置，其方式是使得当轴承套筒62旋转时使阳极20旋转。根据当前实施例，冶金接合层70设置在阳极20与轴承套筒62之间。在一般意义上，冶金接合层70配置成便于当阳极20因电子轰击而加热时从阳极20到轴承套筒62的热能传递。此外，冶金接合层70还可将热量从轴承套筒62传递到阳极20，例如在SGB 60的旋转用于生成热能的实施例中。为了允许这种热传递，冶金接合层70设置在轴承套筒62的台肩74的轴面72之间。这种放置可有利地允许通过在固定轴64的冷却剂流动路径76中循环的冷却剂而从轴承套筒62去除热量。
冶金接合层70可由能够进行热能传输的任何数量的材料来构成或者包含这些材料。根据本公开的各个实施例，冶金接合层70可具有至少100瓦每开每米(W·K-1·m-1)热导率。在一些实施例中，热导率可在大约200与700W·K-1·m-1之间。作为一个示例，冶金接合层70可包括焊料、合金或金属的任一种或组合。根据当前实施例可使用的金属可包括能够与构成阳极20和轴承套筒62的材料形成合金的金属，它们可包括钢、KovarTM(铁镍钴合金)、钼(Mo)、Mo合金、钨(W)、钛(Ti)和/或锆(Zr)。在一个实施例中，阳极20可包括TZM、钼钛锆合金，以及轴承套筒62可包括Mo合金。相应地，金属接合层70可包含铟(In)、锡(Sn)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)、铝(Al)等等。在一般意义上，合金材料有利地具有低蒸汽压力(例如＜1×10-6Torr)，并且在冶金接合层70的工作温度下保持为固体，使得避免X射线管不稳定性。此外，金属接合层70可包含对于热传导、热稳定性和/或机械弹性会是有益的其它元素，例如金属微粒和/或碳的同素异形体。
如上所述，冶金接合层70有利地是阳极20与轴承套筒62之间的刚性附连。例如，冶金接合层70的刚性帮助在旋转期间维持阳极20在轴承套筒62上的位置。这种位置维持可防止X射线管10中会导致管不可靠性和图像噪声等等的不平衡。冶金接合层70可根据X射线管10的部件的特定尺寸和其它设计考虑因素来确定大小。为了允许适当的热传导，冶金接合层70在纵向(即，由SGB 60的轴线所定义的方向)的厚度可确定大小在大约1微米(例如1、2、3、5或10微米)与大约10毫米(mm)(例如1、2、3、5或10mm)之间的任意值。此外，冶金接合层70可以仅部分地沿轴承套筒62的轴面72向上延伸，可与轴面72的直径范围基本齐平，或者可延伸到轴面72之外。
应当注意，在冶金接合层70处的X射线管10的工作温度可接近或超过大约400℃。相应地，可希望冶金接合层70的熔点为至少400℃，例如420、450、500、550、600℃或更高。在冶金接合层70的使用期间的高热稳定性和刚性的组合可避免可例如由于阳极20与轴承套筒62之间的剪力而产生的小微粒的产生。这类微粒在某些情况下可对X射线管10的操作是有害的。例如，微粒所引起的电弧(例如当微粒被电子束32撞击时)可发生，和/或管12中的真空可因微粒增加的存在而减小。相应地，刚性冶金接合层70有利地防止不希望的电弧和真空损失，从而延长X射线管10的使用寿命。如上所述，图3-5示出将冶金接合层70设置在阳极20与轴承套筒62之间的配置的实施例。
具体来说，图3示出其中金属硬钎焊80设置在轴承套筒62的台肩74的轴面72与阳极20之间的实施例。根据所示实施例，金属硬钎焊80可经由施加局部热量来熔融。这种局部加热通过经由阳极20、金属硬钎焊80和轴承套筒62传导电流来实现。电流可经由第一电极82和第二电极84来施加。第一电极82可设置在与金属硬钎焊80侧相对的阳极20的轴面86上，而第二电极84设置在也与金属硬钎焊80侧相对的轴承套筒62的台肩74的第二轴面88上。这样，电极82和84、阳极20、金属硬钎焊80以及轴承套筒62形成电路。
通过使电流经过所形成的电路，电极82、84附近的区域可遇到局部加热，其程度可取决于所施加电位以及形成阳极20、金属硬钎焊80和轴承套筒62或者它们包含的材料。这种局部热量的施加可将金属硬钎焊80加热到高于其熔点，这允许它与所接触的表面、即阳极20和轴承套筒台肩74的轴面形成冶金接合。应当注意，虽然局部温度可超过X射线管10的正常工作温度，但是局部热量基本上保持在电极82、84附近的区域中，这防止轴承60遭遇可损坏部件和/或阻止适当操作的温度。
以上针对图3所述的形成冶金接合层的方式可一般适用于大多数X射线管。但是，在其它实施例中，可希望利用一种方式，其中一种以上金属被使用以用于形成具有比它所形成的纯金属更高熔融温度的合金。图4示出在阳极组件12的情景中提供的一种这样的实施例，其中冶金接合层70为Cu-In-Sn或类似合金。
具体来说，在所示实施例中，冶金接合层70经由过渡液相接合来形成。在阳极20与轴承套筒台肩74的轴面72之间，金属垫片90、如Cu垫片设置在一对焊料层92、94之间。焊料层92、94分别紧贴阳极20表面和轴面72设置，并且可包含例如Cu、Ag、Sn、In、铋(Bi)、硅(Si)等金属和相似焊接材料。根据当前实施例，焊料层92、94具有比X射线管的最高工作温度(例如在大约125与400℃之间)更低的熔融温度。整个阳极组件12以及在一些实施例中的整个X射线管10则由热源98加热到焊料(例如In-Sn焊料)熔融的温度，一般由箭头96表示。热源98可以是能够将热能传送到X射线管10、X射线管10和/或阳极组件12的任何源。
在传送适当的热量96时，熔融焊料则经过与金属垫片90的冶金反应。所产生的冶金接合可以是永久接合，并且可包括合金、如Cu-In-Sn合金。实际上，由于焊料在与阳极20表面以及轴面72直接接触时熔融，所以永久接合在Cu-In-Sn或类似合金、阳极20和轴承套筒62之间形成。因此，如上所述，从采用电子束32对阳极20的轰击所生成的热量可以是至少部分从阳极20通过冶金接合层70(例如Cu-In-Sn或类似合金)、通过轴承套筒62传递到固定轴64，此处热能可通过循环通过设置在其中心的冷却剂流动路径76的冷却剂(例如油)来去除。
图5示出与针对图4所述相似的方式，其中冶金层70由金属的混合物形成。但是，不是使金属垫片设置在两个焊料层之间，图5的实施例而是使用设置在两个硬钎焊金属层102、104之间的焊料层100经由过渡液相接合来形成冶金接合层70。例如，金属层102、104可在引入焊料层100之前(例如在组装阳极组件12之前)接合到阳极20和台肩74。硬钎焊金属层可包括Cu及其合金、Ag、Au、Ni、Al、Fe、Si、硼(B)、磷(P)等等。
焊料层100一般可包括Cu、Ag、Sn、In、Bi、Si和类似焊接材料，如以上针对图4所述。根据当前实施例，焊料层100可具有低于X射线管10遇到最大工作温度的温度的熔融温度。作为一个示例，焊料层100可具有大约125与400℃之间的熔融温度。在一个实施例中，焊料层为In-Sn焊料，以及金属层102、104为硬钎焊Cu。
要形成冶金接合层70，当焊料层100到位(例如在硬钎焊金属层102、104之间)时，热源98将热量96提供到整个阳极组件12(例如到X射线管10)。阳极组件12可被加热到高于焊料层100的熔融温度(例如到大约125与400℃之间)。液化焊料则经过冶金反应，以便形成焊接材料和硬钎焊材料的合金。所产生的合金有利地具有高于X射线管的最大工作温度的熔融温度(例如高于400℃)，使得阳极20和套筒26在整个操作中保持由固态接合层的接合。这种永久接合层允许至少阳极20与轴承套筒62之间基本恒定的热传导。
根据本公开的另一个方面，图6通过过程流程图示出制作和使用具有热传导冶金接合层的X射线管的方法110。方法110一般开始于围绕固定轴设置轴承套筒(框112)。轴承套筒与固定轴之间的结合一般可被认为是轴承。如上述实施例中所述，轴承可以是螺旋槽轴承。
在执行由框112所表示的动作之后，电子束靶(即，阳极)则围绕轴承套筒设置(框114)。一旦电子束靶处于合乎需要的位置，则电子束靶使用冶金接合层接合到轴承套筒(框116)。作为一个示例，一个或多个金属垫片可设置在轴承套筒的台肩的轴面与电子束靶之间，之后熔融该一个或多个金属垫片以形成合金，其将电子束靶固定地附连(例如永久附连)到轴承套筒。在一些实施例中，电子束靶和轴承套筒可被预先处理，使得对其每个附加金属硬钎焊。金属硬钎焊可用作冶金反应中的反应物金属，它允许形成将电子束靶接合到轴承套筒的合金。在这种实施例中，一个或多个金属垫片可包括焊料层，它在低温(例如在大约125与400℃之间)熔融以开始冶金反应。
相应地，应当注意，形成冶金接合层的金属垫片可设置在轴承套筒上(在其上设置靶之前)。但是，在其它实施例中，形成冶金接合层的金属垫片可以是半圆形，或者具有允许它们被套拉在轴承套筒上的狭槽。在这种配置中，一旦金属垫片已经熔融，则它们可通过毛细管作用来填充电子束靶与轴承套筒之间的任何空隙。
在执行由框112-116所表示的动作以及任何其它X射线管制造过程之后，可利用X射线管。在使用中，旋转轴承(例如SGB)(框118)，之后采用电子束对电子束靶进行轰击(框120)。如以上针对图1所述，电子束由具有热离子发射器的阴极组件来生成。电子束撞击电子束靶，它至少产生X射线和热能。热能的至少一部分则通过热传导冶金接合层从电子束靶传递到轴承套筒(框122)。如前面所述，冶金接合层可以是合金或类似材料，它防止电子束靶的非旋转运动，同时维持在整个检查、预热和/或冷却序列中的热传导。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
部件列表
Figure BSA00000416828500111
Figure BSA00000416828500121

Claims (10)

1.一种X射线管(10)，包括：
固定轴(64)；
旋转轴承套筒(62)，其围绕所述固定轴(64)设置，并且配置成经
由旋转轴承(60)相对所述固定轴(64)旋转；以及
电子束靶(20)，其围绕所述轴承套筒(62)设置，并且配置成随所述轴承套筒(62)一起旋转，所述电子束靶(20)永久接合到所述轴承套筒(62)。
2.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中，所述轴承套筒(62)
包括具有轴面(72)的台肩(74)，并且其中所述靶(20)接合到所述台肩
(74)的所述轴面(72)。
3.如权利要求2所述的X射线管(10)，其中，所述靶(20)经由设置在所述靶(20)与所述台肩(74)的所述轴面(72)之间的金属接合层(70)接合到所述台肩(74)的所述轴面(72)。
4.如权利要求3所述的X射线管(10)，其中，所述接合层(70)包括硬钎焊材料(80，102，104)。
5.如权利要求3所述的X射线管(10)，其中，所述接合层(70)包括过渡液相接合。
6.如权利要求5所述的X射线管(10)，其中，所述过渡液相接合
包括焊料层(92，94)和垫片(90)材料，它们在所述靶(20)接合到所述轴
承套筒(62)时形成合金。
7.如权利要求6所述的X射线管(10)，其中，所述过渡液相接合
包括铜层(90)和铟锡焊料(92，94)。
8.如权利要求7所述的X射线管(10)，其中，所述过渡液相接合
包括在接合之前的两个铟锡焊料(92，94)层之间的铜层(90)。
9.如权利要求7所述的X射线管(10)，其中，所述过渡液相接合
包括在接合之前的两个铜层(100，104)之间的铟锡焊料(100)。
10.一种X射线管(10)，包括：
固定轴(64)；
旋转轴承套筒(62)，其围绕所述固定轴(64)设置，并且配置成经由旋转轴承(60)相对所述固定轴(64)旋转，所述轴承套筒(62)包括具有轴面(72)的台肩(74)；
电子束靶(20)，其围绕所述轴承套筒(62)设置，并且配置成随所述轴承套筒(62)一起旋转；以及
接合层(70)，其设置在所述台肩(74)的所述轴面(72)与所述电子束靶(20)之间，用于将所述靶(20)固定到所述轴承套筒(62)。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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