CN104025245A - 钎焊x射线管阳极 - Google Patents

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Abstract

一种方法(100)在X射线管(38)的阳极板(52)和石墨块(56)之间创建钎焊接合(58)。该方法(100)包括接收(102)阳极板(52)和所述石墨块(56)。在所述阳极板(52)和所述石墨块(56)之间布置(104，106，108)阻隔层(66)和钎焊层(62)，其中，所述阻隔层(66)处于所述石墨块(56)和所述钎焊层(62)之间。所述阻隔层(66)与所述钎焊层(62)一起被加热(110)以在所述阳极板(52)和所述石墨块(56)之间生成所述钎焊接合(58)。

Description

钎焊X射线管阳极
技术领域
本申请大体涉及X射线管领域。其特别适用于与旋转阳极X射线管结合并将特别参考其加以描述。不过，要理解，本发明还适用于其他使用场景，并且不一定局限于上述应用。
背景技术
传统阳极X射线管由难熔金属靶构成，其具有很多有利的性质，包括高温、高强度和良好的热导率和热容量。X射线由阳极焦点轨道的电子轰击产生。施加于焦斑和后续的阳极表面的大部分能量被转换成热，这是必须要管理的。由于电子轰击的原因，焦斑的局部加热依赖于靶角度、焦点轨道直径、焦斑尺寸(长度×宽度)、旋转频率、施加的功率以及材料性质(例如热导率、密度和比热)。通过控制上述变量来管理焦斑温度和热机械应力。不过，在很多情况下，因为材料性质的限制，归因于修改这些变量的能力，X射线管规程受到限制。
常规旋转阳极X射线管常常受到阳极衬底材料机械性质以及材料从局部体积除热的能力的限制。X射线阳极常常由钼合金衬底和焦轨制造，钼合金典型为钛、锆、钼(TZM)合金，焦轨由钨合金构成，最可能是90-95％的钨和5-10％的铼。这些X射线靶通常还被钎焊到石墨后部，用于额外的热存储容量。不过，将钼衬底钎焊到石墨块的这个过程带来了新问题。钎焊过程期间温度升高使得衬底结构重新结晶，从而减小了材料自身的强度。此外，这一钎焊过程还产生具有钎焊合金和石墨的脆性碳化物层，这可能带来剥落故障的起始点。
X射线阳极中通常使用的钎焊合金是钛。这种钎焊材料是材料强度和钎焊接合之间的良好折中。钛钎焊材料具有钎焊温度，其保持了衬底材料的一些强度(与某些更高温度钎焊材料相比)，但还为高温应用提供了良好的接合。不过，钛作为钎焊合金具有强亲合力，易于形成碳化物。这种碳化物连续扩散到共晶钛(Ti)+碳化钛(TiC)层中，生成纯Ti、共晶Ti+TiC和TiC的层。在应用和热循环期间，共晶Ti+TiC中的Ti部分经历相变。这种变换还对共晶结构中的Ti体积变化负责。在α相和β相之间来回循环时，Ti的体积变化在共晶层中导致空隙形成，这是裂缝的起始点。一旦裂缝传播到脆性的TiC层，阳极就容易受到剥落失效模式的影响。
本申请提供了能够克服上述问题和其他问题的新的改进的方法和系统。
发明内容
根据一个方面，一种方法在X射线管的阳极板(52)和石墨块之间生成钎焊接合。该方法包括接收阳极板和所述石墨块。在阳极板和所述石墨块之间布置阻隔层和钎焊层，其中，所述阻隔层处于所述石墨块和钎焊层之间。所述阻隔层与所述钎焊层一起被加热以在所述阳极板和所述石墨块之间创建所述钎焊接合。
根据另一方面，提供了一种X射线管的阳极组件。所述阳极组件包括阳极板、碳块和阳极板与所述碳块之间的钎焊接合。钎焊接合包括阳极板和所述石墨块之间的阻隔层和钎焊层，阻隔层处于所述石墨块和钎焊材料之间。
一个优点在于，韧性的钎焊接合适于管理循环/蠕变/变形导致的应力。
另一个优点在于更厚的纯钛(Ti)层(即韧性层)。
另一个优点在于消除了易于因相变而形成空隙的共晶Ti+碳化钛(TiC)层。
另一个优点在于减小了碳的扩散率。
另一个优点在于增加了钎焊接合使用应用循环的寿命。
另一个优点在于消除了脆性的TiC层。
本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细描述之后，将认识到本发明的其他优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件布置，以及各种步骤和各步骤布置的形式。附图仅仅为了图示优选的实施例，并且不应被解释为限制本发明。
图1是采用X射线管组件的计算机断层摄影成像(CT)诊断系统的示意图。
图2是图1的X射线管组件的示意图，该X射线管组件包括根据本公开的各方面的阳极组件。
图3是图2的阳极组件的钎焊接合的放大图。
图4是制造图2的阳极组件的方法。
具体实施方式
参考图1，计算机断层摄影成像(CT)扫描机10以辐射成像的方式检查设置于患者支撑体12上的受检者并产生其诊断图像。更具体而言，将患者支撑体12上的受检者的感兴趣体积移动到检查区域14中。安装于旋转扫描架18上的X射线管组件16投射一个或多个辐射束通过检查区域14。准直器20在一个维度上准直辐射束。在第三代扫描机中，二维X射线探测器22设置于旋转扫描架18上，跨过检查区域14与X射线管组件16相对。在第四代扫描机中，二维探测器24的环或阵列安装于围绕旋转扫描架18的静止扫描架25上。
二维X射线探测器20、22中的每个都包括连接到或优选集成到集成电路中的光探测器二维阵列。光探测器产生表示接收到辐射强度的电信号，其指示沿X射线管和闪烁晶体段之间对应射线的积分X射线吸收。
电信号连同旋转扫描架18的角位置信息被模数转换器数字化。数字诊断数据被传送到数据存储器26。来自数据存储器26的数据被重建处理器28重建。预期各种已知的重建技术，包括螺旋和多切片扫描技术、回旋和反向投影技术、锥形射束重建技术等。重建处理器28产生的体图像表示被存储于体图像存储器30中。视频处理器32提取图像存储器30的选择性部分以生成切片图像、投影图像、表面绘制等，并重新设定它们的格式，以在显示设备34(例如视频或LCD监视器)上显示。
参考图2，X射线管组件16包括外壳36，所述外壳中填充有传热和电绝缘冷却流体，例如油。更具体而言，由泵使冷却流体从外壳36之内通过热交换器循环回到外壳36。还预期不使用冷却流体的X射线管组件。X射线管组件16还包括被支撑于外壳36之内的X射线管38。X射线管38的旋转阳极组件40和阴极组件42彼此相对地设置于X射线管38的真空室44之内。电子束46从阴极组件42传递到阳极组件40的阳极板52的环形圆周面50上的焦斑48。
阳极板52形状通常是环形，并根据目标应用设定尺寸。例如，对于CT应用，阳极板52典型地具有大约8英寸的直径。此外，阳极板52典型大约为3/4英寸厚。阳极板52包括钼合金，例如钛、锆、钼(TZM)合金的衬底53，焦轨54为沿环形圆周面50嵌入的高密度钨复合材料或其他适当材料，用于产生X射线。为了散热，利用钎焊材料，例如钛(Ti)将阳极板52钎焊到石墨块56，由此生成钎焊接合58。通常将所述石墨块56钎焊到阳极板52的后部，但可以将其钎焊到阳极板52的任何其他部分，例如顶部。所述石墨块56通常是环形的，厚度处于1/2英寸和2英寸之间。此外，所述石墨块56的尺寸通常类似于阳极板52。例如，对于CT应用，所述石墨块56典型地具有大约8英寸的直径。
如上所述，利用典型钎焊工艺生成的钎焊接合包括共晶层，例如一层Ti+TiC，这是裂缝的起始点。为了消除这种共晶层的形成，钎焊接合58包括石墨后部52和钎焊材料之间的阻隔材料，例如铌(Nb)。参考图3，示出了钎焊接合58的窗口60的放大图。钎焊接合58包括由钎焊材料构成的层62、阻隔材料和钎焊材料的无限固熔体层64、阻隔材料的层66和由阻隔材料和碳形成的化合物构成的层68。与典型钎焊接合中的共晶层相反，无限固熔体层64在α相和β相之间来回循环时没有空隙形成问题。钎焊材料和阻隔材料通常是化学元素。
阳极组件40安装到感应电动机组件70，以绕阳极轴72旋转。更具体而言，阳极组件40刚性耦合到感应电动机组件70的轴74和转子76。转子76电磁耦合到感应电动机组件70的驱动线圈78，以绕着阳极轴72转动轴74和阳极组件40。
阴极组件42静止不动，包括与焦轨54以间隔关系定位的阴极聚焦杯80。为安装于阴极杯80的阴极灯丝82通电以发射指向阳极组件40的电子束46，以便产生X射线。由阴极组件42和阳极组件40之间大的直流(DC)电势差将电子束46的电子向着阳极组件40加速。在一个实施例中，阴极组件42相对于地处在-100000伏的电势，而阳极组件40相对于地处于+100000伏的电势，由此提供了总电势差为200000伏的双极配置。电子束46的被加速电子撞击到阳极组件40的焦斑48上导致阳极组件40被加热到1100℃到1400℃之间的范围。
在撞击焦斑48时，一部分电子束46从焦斑48反射并在真空室44之内散射。与反射相反，被阳极组件40吸收的电子用于产生X射线84和热能。一部分X射线84通过外壳36朝向被检查受检者的X射线窗口组件86。
参考图3，提供了一种用于生成钎焊接合58的方法100。有利地，钎焊接合58的应用性能好于传统的钎焊接合。该方法100包括接收102阳极板52和石墨块56，阳极板包括嵌入其中的焦轨54。如上所述，阳极板52和所述石墨块56的形状都通常为环形，并根据阳极组件40的应用设定其尺寸。此外，阳极板52通常具有大约3/4英寸厚的厚度，所述石墨块56典型地具有大约1/2英寸和2英寸之间的厚度。再者，阳极板52和所述石墨块56均包括要由钎焊接合58连接的对应面，它们的尺寸通常相似。
通常利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电解电镀中的一项，向所述石墨块56的面涂布104阻隔材料，通常其厚度大约为2/1000英寸。不过，预期用于沉积阻隔材料的其他厚度和/或方法。典型地，向所述石墨块52施加阻隔材料在加热之前在所述石墨块56上生成阻隔材料和包括阻隔材料和碳的化合物(例如Nb+NbC)的共晶层。阻隔材料包括任何材料，通常为熔点高于钎焊温度(例如高于1700℃)且在钎焊时不形成脆性碳化物的元素。阻隔材料的范例包括Nb、钽(Ta)、铂(Pt)等。不过，优选与钎焊材料互熔并产生固熔体的阻隔材料，例如Nb和Ta，因为固熔体更加易延展。
在阻隔材料上方施加106钎焊材料。与阻隔材料一样，钎焊材料通常是一种元素。此外，钎焊材料优选为Ti，因为它提供了延展性和熔化温度之间的很好平衡。如上所述，钎焊期间的更高温度降低了阳极板的强度。通常施加的钎焊材料厚度为大约4/1000到6/1000英寸，但优选厚度为大约4/1000到5/1000英寸。可以通过任何形式施加钎焊材料，但典型地将其施加为箔或涂层。阳极板52的面被定位108在钎焊材料上，钎焊材料和阻隔材料一起被加热110到钎焊材料熔点以上，以生成钎焊接合58。对于Ti而言，熔点大约为1600℃。在钎焊之后，生成了钎焊接合58的层62、64、66、68，如图3所示。这些层包括钎焊材料的层62、钎焊材料和阻隔材料的固熔体层64、阻隔材料的层66和由阻隔材料和碳形成的化合物构成的层68。
利用方法100生成钎焊接合58使得钎焊接合没有典型钎焊接合那么脆且更易延展。为了例示，在将Nb和Ti分别用作阻隔材料和钎焊材料的情况下，生成了一层NbC而非TiC。阻隔层阻止了TiC层的生成，这是在典型钎焊工艺中形成的。有利地，NbC层不像TiC层那样脆，并且Nb阻隔层的碳扩散率更低，从而消除了作为裂缝起始点的共晶Ti+TiC层。
本文中所使用的存储器包括：非暂态计算机可读介质；磁盘或其他磁存储介质；光盘或其他光存储介质；随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其他电子存储设备或芯片或操作性互连的芯片组；可以经由因特网/内部网或局域网检索所存指令的因特网/内部网服务器中的一种或多种；等等。此外，本文中所使用的处理器包括微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一种或多种；显示设备包括LCD显示器、LED显示器、等离子体显示器、投影显示器、触摸屏显示器等中的一种或多种。
己经参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上详细描述之后可能想到修改和变更。例如，尽管在CT医学成像的背景下描述了本公开，但其适用于使用旋转阳极X射线管的其他系统中，例如心血管医学成像中使用的系统或使用X射线用于检查和安保的系统。应当将本发明解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们在权利要书求或其等价方案的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于在X射线管(38)的阳极板(52)和石墨块(56)之间创建钎焊接合(58)的方法(100)，所述方法(100)包括：
接收(102)所述阳极板(52)和所述石墨块(56)；
在所述阳极板(52)和所述石墨块(56)之间布置(104，106，108)阻隔层(66)和钎焊层(62)，所述阻隔层(66)处于所述石墨块(56)和所述钎焊层(62)之间；以及
加热(110)所述阻隔层(66)和所述钎焊层(62)以在所述阳极板(52)和所述石墨块(56)之间生成所述钎焊接合(58)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述阳极板(52)和/或所述石墨块(56)的形状为环形。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阳极板(52)包括钼合金衬底(53)，所述钼合金例如是钛、锆、钼(TZM)合金。
4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中，所述阳极板(52)还包括嵌入所述衬底(53)之内的焦轨(54)，所述焦轨(54)由在被电子束(46)撞击时产生X射线(84)的材料构成，所述材料例如是钨。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法(100)，其中，所述布置(104，106，108)包括：
向所述石墨块(56)施加(104)所述阻隔层(66)；
向所述阻隔层(66)施加(106)所述钎焊层(62)；并且
在所述钎焊层(62)上定位(108)所述阳极板(52)。
6.根据权利要求5所述的方法(100)，其中，利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电解电镀中的一种向所述石墨块(56)施加所述阻隔层(66)。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阻隔层(66)和所述钎焊层(62)被布置于要钎焊在一起的所述阳极板(52)和所述石墨块(56)的对应面之间。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阻隔层(66)是熔点高于所述钎焊层(62)的熔化温度并且在被钎焊时不形成脆性碳化物的材料。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阻隔层(66)是铌(Nb)和钽(Ta)中的一种。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阻隔层(66)的厚度大约为2/1000英寸。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法(100)，其中，所述钎焊层(62)为钛(Ti)。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的方法(100)，其中，所述阻隔层(66)和所述钎焊层(62)被加热到所述钎焊层(62)的熔化温度，例如大约1600℃。
13.根据权利要求1-12中的任一项所述的方法(100)，其中，所述钎焊接合(58)包括所述钎焊层(62)、钎焊材料和阻隔材料的固熔体层(64)、所述阻隔层(66)和由阻隔材料和碳构成的化合物层(68)。
14.一种X射线管(38)，包括：
阳极组件(40)，其包括：
阳极板(52)；
碳块(56)；以及
所述阳极板(52)和所述碳块(56)之间的钎焊接合(58)，所述钎焊接合(58)是根据权利要求1-13中的任一项所述的方法(100)来创建的；以及
阴极组件(42)，其将电子束(46)引导到所述阳极组件(40)以创建X射线(84)。
15.根据权利要求14所述的X射线管(38)，还包括：
电动机组件(70)，其被配置为绕阳极轴(72)旋转所述阳极组件(40)。
16.一种用于扫描受检者的计算机断层摄影成像(CT)扫描器(10)，包括：
接收所述受检者的感兴趣体积的检查区域(14)；
一个或多个X射线探测器(20，22)，其生成指示接收到辐射的数据；
根据权利要求14和15中的任一项所述的X射线管(38)，其投射一个或多个辐射射束通过所述检查区域(14)朝向所述X射线探测器(20，22)；以及
重建处理器(28)，其从所生成的数据来生成所述感兴趣体积的体积图像表示。
17.一种X射线管(38)的阳极组件(40)，包括：
阳极板(52)；
碳块(56)；以及
所述阳极板(52)和所述碳块(56)之间的钎焊接合(58)，所述钎焊接合(58)包括所述阳极板(52)和所述石墨块(56)之间的阻隔层(66)和钎焊层(62)，所述阻隔层处于所述石墨块(56)和所述钎焊材料(62)之间。
18.根据权利要求17所述的阳极组件(40)，其中，所述钎焊接合(58)包括所述钎焊层(62)、钎焊材料和阻隔材料的固熔体层(64)、所述阻隔层(66)和由阻隔材料和碳构成的化合物层(68)。
19.根据权利要求17和18中的任一项所述的阳极组件(40)，其中，所述钎焊层(62)是钛(Ti)，并且所述阻隔层(66)是熔点高于所述钎焊层(62)的熔化温度并且在被钎焊时不形成脆性碳化物的材料，所述材料例如铌(Nb)和钽(Ta)。
20.一种X射线管(38)，包括：
根据权利要求17-19中的任一项所述的阳极组件(40)；以及
阴极组件(42)，其将电子束(46)引导到所述阳极组件(40)以创建X射线(84)。
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