CN103871807B

CN103871807B - 一种x射线管及其制备方法

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Publication number: CN103871807B
Application number: CN201210526109.XA
Authority: CN
Inventors: 肖海峰; 章健; 李冬松
Original assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Current assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103871807A

Abstract

本发明提供一种X射线管，所述真空管内设有阳极和阴极，所述阳极包括阳极靶、铜体和阳极轴承柱，其中，所述铜体的空腔内填充相变材料。本发明还提供了一种X射线管的制备方法，包括如下步骤：a）将碳纳米管与无机盐搅拌混料后得到混合物；b）将干燥后的混合物放入模具中，经预压排气、模压成型，得到熔融盐/碳纳米管复合相变材料；c）将所述复合相变材料填充于所述铜体的空腔内，得到所述X射线管。本发明利用相变材料在相变过程中吸收潜热，保持恒定温度的特性，有效地吸收短时间内阳极靶上产生的大量热量，提高X射线管的使用寿命。

Description

一种X射线管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种X射线管领域，尤其涉及一种X射线管及其制备方法。

背景技术

在医学成像领域的应用中，对于动态物体成像，为了在较短曝光时间内获得清晰的X射线图像，X射线球管需要在极短的时间内产生强度极大的X射线脉冲，如图1为X射线管产生一束单脉冲的X射线强度-时间图所示，从0至t₀时刻产生一束单脉冲强度为I₀的X射线，t₀一般为毫秒级，因此X射线球管自身需要具有极高的瞬间球管功率，当前高功率的X射线球管功率已经达到数百千瓦以上，从而短时间内在阳极靶上产生大量的热量，同时，受制于X射线产生的基本物理机制的限制，轰击阳极靶的高能电子束最终只有不到1%的能量转化为X射线，剩余99%以上的能量则转化为热量耗散在X射线球管的阳极靶上，使阳极温度迅速升高到3000℃左右，造成阳极局部过热，甚至可能使阳极融化甚至被烧出孔洞，进而可能影响X射线球管的正常运行，最终导致球管的报废。

现有多种X射线阳极靶散热方案，包括：1）通过旋转阳极的设计提高散热能力，在基于旋转阳极的X射线球管的设计中，由于X射线球管在运行过程中，阳极靶不断的高速旋转，使得球管运行中阳极靶产生的热量可以分布在一个环形的面积上，大大的增加了散热面积，相比固定阳极靶的设计而言显著的降低了阳极靶的温度。但是，其转速已经达到超过10000转/分钟，已接近技术瓶颈和理论极限，进一步提高转速并且保持旋转的高度稳定性对于阳极靶的材料选取和设计而言已经非常困难。2）优化靶材料的选取，在X射线球管阳极靶的设计中为了更好的解决阳极靶散热这一难题，常采用热容量大、辐射系数高、导热系数高的材料与阳极相连接以提高阳极靶的散热效率, 如CT机中靶面材料被镶嵌在钼基的盘座上；又如大功率的球管，为了减轻旋转靶及整个球管的重量，提高球管的热容量，在靶盘的背面用钎焊的方法加上一定厚度和质量的石墨基。3）阳极靶主动冷却技术。主动阳极冷却方法是目前普遍采用的阳极散热方法，即通过在阳极靶内加入可循环流动的制冷液，甚至将整个X射线球管浸泡在绝缘耐压油缸里达到有效散热的目的。以上三种现有技术在一定程度上解决了X射线球管阳极靶散热的问题，但是随着对于X射线球管功率要求的不断提高，相关的技术手段实现难度大、成本高，针对现有技术面临的这些困难，对发展基于不同原理的新的阳极靶散热技术提出了进一步的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种X射线管及其制备方法，能够有效控制X射线管阳极靶在产生高强度X射线脉冲导致的急剧温度升高时，快速地吸收阳极靶上的热量，延长X射线管的使用寿命。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种X射线管，包括真空管，所述真空管内设有阳极和阴极，所述阳极包括阳极靶、铜体和阳极轴承柱，其中所述铜体的空腔内填充相变材料。

进一步地，所述相变材料为无机相变材料或复合相变材料。

进一步地，所述相变材料为熔融盐/碳纳米管复合相变材料。

进一步地，所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料的相变温度为200～1000℃，比热容为1.5～3J/g·K，相变潜热为450～1000J/g。

进一步地，所述铜体的内表面覆有一层石墨层，所述石墨层的厚度为0.5～2毫米。

进一步地，所述阳极轴承柱和所述阳极一侧的真空管内表面之间填充有导热材料。

进一步地，所述导热材料为石墨、碳纳米管或碳化硅。

本发明为解决上述技术问题而采用的另一项技术方案是提供一种所述X射线管的制备方法，通过如下步骤制备：

a) 将预处理的碳纳米管与无机盐搅拌混料后得到混合物，于干燥箱中将所述混合物进行低温干燥；

b) 将所述混合物放入模具中，经预压排气、模压成型，得到所述无机盐/碳纳米管复合相变材料；

c) 将所述无机盐/碳纳米管复合相变材料填充于所述铜体的空腔内。

进一步地，所述步骤a）中，所述碳纳米管占所述混合物的质量比为小于1%，所述碳纳米管为管径从几个纳米到几百个纳米的多壁碳纳米管。

进一步地，所述步骤b）中，所述低温干燥的温度为50～80℃，干燥时间为4～8h。

进一步地，所述步骤c）中，所述预压排气的压强为5～15MPa，所述模压成型的压强为25～35MPa，模压温度为60～100℃。

进一步地，所述步骤d）中，所述无机盐/碳纳米管复合相变材料进行填充前，所述铜体的空腔进行排气操作。

与现有技术相比，本发明的技术方案有如下优点：

1.本发明通过在阳极铜体的内腔填充相变材料，利用相变材料在相变过程中吸收潜热的特性，有效的吸收X射线管运行时阳极靶上产生的热量，提高X射线管的使用寿命，此外，由于X射线管热容量的提高，可以加大管电流，产生足够的X射线，大大提高成像质量，尤其适用产生高强度的X射线脉冲。

2. 本发明提出的技术方案具有制备方法简单，原料易得，实现成本低的特点，相变过程可逆，能够多次使用。

附图说明

图1为X射线管产生一束单脉冲时的X射线强度-时间图；

图2为本发明X射线管的结构示意图；

图3为本发明X射线管的制备流程示意图；

图4为X射线管在一束单脉冲下阳极靶的温度-时间曲线图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种X射线管。

图2为本发明的X射线管结构示意图。

请参阅图2，本发明提供的一种X射线管包括真空管1，真空管1内设有阳极2和阴极3，所述阳极2包括阳极靶4、铜体5和阳极轴承柱6，其中所述铜体5的空腔内填充有相变材料8。

本领域技术人员可以理解，相变材料8根据化学成分可以分为：无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料和金属相变材料，上述任一种皆可应用于本发明。优选地，采用熔融盐／碳纳米管复合材料作为高温相变材料。Ｘ射线管的阳极靶在一个射线脉冲下达到3000摄氏度左右，对于适用于阳极2散热的相变材料8，应该有合适的熔化温度，尽可能高的热容量和热导率。有机相变材料的相变温度一般为几十至几百度，在Ｘ射线管工作条件下，有机相变材料极易发生碳化而失去相变材料吸收潜热的性能；无机相变材料具有较高的相变温度，相变潜热较大，熔化温度范围在250℃到1680℃可控制，热容量在68J/g到1041J/g，适于作为阳极靶散热的相变材料，其中混合熔融盐具有较大的比热容和焓值，结构简单、散热性能高，体积变化小，混合熔融盐的熔融温度可以通过不同的盐配比对相变温度的进行调控。为了提高相变材料的热导率，可以通过在材料中掺杂其他高导热率材料形成复合材料，提高材料总体的热导率，优选地采用碳纳米管掺杂，本发明对此不作具体限定。

继续参阅图2，在阳极2空腔内填充相变材料8之前，首先在铜体5的内表面上生长一层石墨层7，所述石墨层7与所述铜体5的内表面完全贴合，分隔铜体5与相变材料8，本发明中优选相变材料8为熔融盐/碳纳米管复合材料，在X射线管的工作环境下熔融状态的无机盐极易腐蚀铜体5，采用具有优良化学稳定性和耐高温的石墨层7可以有效防止相变材料8腐蚀铜体5，此外石墨层7具有优良的导热率可以快速地将积聚于阳极靶4的热量传导至相变材料8，利于阳极靶4的散热，有效的保护阳极靶料，提高其使用寿命。所述石墨层7的厚度为0.5～2毫米。本发明还可以采用其他耐高温抗腐蚀的导热材料，比如金属碳化物，金属氮化物或类金刚石等，本发明对此不作具体限定，优选地，本发明采用石墨层。

为了提高散热效果，所述阳极轴承柱6和所述阳极2一侧的真空管1内表面之间填充导热材料9，形成单向热传导结构，有效地将阳极靶4上的热量传导至真空管１外部。本发明还可采用多种导热材料形成热传导结构，比如石墨、碳纳米管或碳化硅等，上述材料皆可应用于本发明，本发明对此不作具体限定。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了另一个技术方案：一种X射线管的制备方法，如图３所示，包括如下制备步骤：

执行步骤S10，将预处理的碳纳米管与无机盐搅拌混料后得到混合物；于干燥箱中将所述混合物进行低温干燥；本发明采用商业化碳纳米管，规格为长度在0.5～2.0μｍ的碳纳米管，商业化碳纳米管需进行除杂和分离的预处理，可以采用浓硫酸：浓硝酸=3:1 进行洗涤达到钝化除杂，继续用蒸馏水洗至中性。预处理方式本发明对此不作限定。将已处理的碳纳米管以质量比小于等于1%的配比与无机熔融盐进行混料。搅拌方法可以为超声波分散、机械搅拌，磁力搅拌或手动搅拌，本发明对此不作限定。所述低温干燥的温度为50～80℃，干燥时间为4～8h，使得混合物充分干燥。

执行步骤S20，将所述混合物放入模具中，经预压排气、模压成型，得到所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料；所述预压排气的压强为5～15MPa，所述模压成型的压强为25～35MPa，模压温度为60～100℃。

执行步骤S30，将所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料填充于所述铜体的空腔内。所述无机盐/碳纳米管复合相变材料进行填充前，所述铜体5的空腔进行排气操作，使得相变材料8于石墨层紧密贴合7，相变材料8完全填充于铜体5的空腔内，利于热传导的进行，提高材料的散热效率。

下面将对本发明提供的X射线管的具体制备方法进行说明。

实施例1

1. 用电子秤称取LiF（33wt%）/NaF（49.9wt%）/MgF₂（17.1 wt%）；

2. 将三元无机盐放入玛瑙钵中研磨1小时；

3. 将研磨好的物料放入干燥箱中70℃的条件下恒温6小时；

4. 将干燥好后的物料放入到模具当中进行模压，首先在5MPa压强下预压5min后脱气30s在30MPa的压强下模压成型，模压温度在100℃，获得LiF（33wt%）/NaF（49.9wt%）/MgF₂（17.1 wt%）无机相变材料，其相变潜热为860J/g，比热容为2.82 J/g·K，相变温度为650℃；

5. 将内表面附有一层1毫米的石墨层铜体的空腔排尽空气后，放入模压成型得到LiF（33wt%）/NaF（49.9wt%）/MgF₂（17.1 wt%）无机相变材料。

实施例2

1. 用高精度电子秤根据一定的配比称量LiF（67wt%）/MgF₂（33wt%）和碳纳米管（质量比为99.5:0.5）；

2. 在室温干燥的环境中将两者搅拌1小时，将混合好后的物料放入玛瑙钵中研磨2小时。

3. 将研磨好的物料放入干燥箱中以80℃的温度恒温4小时。

4. 将干燥好后的物料放入到模具当中进行模压，首先在10MPa压强下预压5min后脱气30s在35MPa的压强下模压成型，模压温度在100℃，获得LiF（67wt%）/MgF₂（33wt%）/碳纳米管复合相变材料，其相变潜热为946J/g，比热容为2.63 J/g·K，相变温度为746℃；。

5. 将内表面附有一层0.5毫米的石墨层铜体的空腔排尽空气后，放入模压成型得到LiF（67wt%）/MgF₂（33wt%）/碳纳米管复合相变材料。

实施例3

1. 用电子秤称取LiCl（37wt%）/LiOH（63wt%）和碳纳米管（质量比为99:1）；

2. 室温机械搅拌1小时，将混合后的物料放入玛瑙钵中研磨2小时；

3. 将研磨好的物料放入干燥箱中50℃的条件下恒温8小时；

4. 将干燥好后的物料放入到模具当中进行模压，首先在10MPa压强下预压5min后脱气30s在25MPa的压强下模压成型，模压温度在80℃，获得LiCl（37wt%）-LiOH（63wt%）/碳纳米管复合相变材料，其相变潜热为485J/g，比热容为1.55 J/g·K，相变温度为262℃；

5. 将内表面附有一层2毫米的石墨层铜体的空腔排尽空气后，放入模压成型得到ＬiCl（37wt%）-LiOH（63wt%）/碳纳米管复合相变材料。

为了更好的说明本发明的效果，我们可通过图4来了解X射线管在一束单脉冲下阳极靶的温度-时间曲线图。其中图4虚线部分所示为现有技术中X射线管在一束单脉冲下阳极靶的温度-时间关系曲线，在0至t₀（一般为毫秒级）时刻，阳极靶的温度迅速达到峰值T₁，此时如果T₁温度过高(一般为3000℃左右)，未对阳极靶进行有效散热，阳极靶会因承受巨大的热应力而产生靶材物料特性的改变，最终导致X射线管的报废。图4实线部分为本发明设有相变材料的X射线管在一束单脉冲下阳极靶的温度-时间曲线图，利用相变材料在高温相变时吸收大量的热量使得球管持续一段时间内保持在相变温度附近，在0至t₁时间段内，阳极靶温度迅速从0上升至相变温度T₂，此时相变材料开始发生相变吸收大量潜热同时保持相变材料本身温度恒定，从而使得阳极靶的整体温度在t₁～t₂时间段内上升减缓；当达到t₂时刻，相变材料吸热达到完全融化，使得在t₂～t₀时间段内阳极靶温度继续升高并达到峰值T₀＇附件，由于相变潜热的吸收，阳极靶最终达到的峰值温度T₀＇相对降低，从而降低阳极靶在操作过程中达到的最高温度，有效的保护阳极靶，提高X射线管的使用寿命。

综上所述，本发明提供了一种X射线管及其制备方法，通过在X射线管阳极铜体的空腔内设有相变材料，利用相变材料在相变过程中吸收潜热，保持环境温度不变的特性作为阳极散热材料，因而具备以下优点：1.能够迅速而有效的吸收X射线管运行中阳极靶上产生的热量，降低了阳极靶的最高到达温度，提高X射线管使用寿命。2.提高X射线管的热容量，从而可以加大X射线管的管电流，提高成像质量，尤其适用于单脉冲大功率的X射线球管；3.制备方法简单，原料易得，实现成本低的特点，相变过程可逆，能够多次使用。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种X射线管，包括真空管，所述真空管内设有阳极和阴极，所述阳极包括阳极靶、铜体和阳极轴承柱，其特征在于，所述铜体的空腔内填充熔融盐/碳纳米管复合相变材料，所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料的相变温度为200～1000℃，比热容为1.5～3J/g·K，相变潜热为450～1000J/g。

2.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述铜体的内表面覆有一层石墨层，所述石墨层的厚度为0.5～2毫米。

3.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述阳极轴承柱和阳极一侧的真空管内表面之间填充有导热材料。

4.如权利要求3所述的X射线管，其特征在于，所述导热材料为石墨、碳纳米管或碳化硅。

5.一种如权利要求1所述的X射线管的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

a)将预处理的碳纳米管与无机盐搅拌混料后得到混合物，于干燥箱中将所述混合物进行低温干燥；

b)将干燥后的混合物放入模具中，经预压排气、模压成型，得到所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料；

c)将所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料填充于所述铜体的空腔内。

6.如权利要求5所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述碳纳米管占所述混合物的质量比为小于或等于1％，所述碳纳米管为长度为0.5～2.0μm的碳纳米管。

7.如权利要求5所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述低温干燥的温度为50～80℃，干燥时间为4～8h。

8.如权利要求5所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述预压排气的压强为5～15MPa，所述模压成型的压强为25～35MPa，模压温度为60～100℃。

9.如权利要求5所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述熔融盐/碳纳米管复合相变材料进行填充前，所述铜体的空腔进行排气操作。