CN104051207A - 用于旋转阳极型高功率x射线管构造的阳极盘结构的混合设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率X射线源，尤其涉及配备了能够比根据现有技术的常规旋转X射线阳极传递高得多的短时峰值功率的旋转X射线阳极的高功率X射线源。因此，这里提出的设计原理旨在通过允许阳极极快旋转以及在邻近焦点轨迹材料(4)的区域内引入具有高热导率的轻型材料(2)而克服峰值功率的热限制。通过提供由具有高热稳定性的各向异性高比强度材料构成的旋转阳极盘部分(1，3，6)实现所述极快旋转，其中，所述材料特别适于在阳极工作时积聚的高应力。配备了根据本发明的高峰值功率阳极的X射线系统将能够以高分辨率和高覆盖率实现高速图像获取。有利地，能够将这样的高速旋转阳极盘应用到用于下述用途的X射线管中：材料检验或医学射线照相术；诸如心脏CT领域的实时获取移动对象的图像数据所需的X射线成像应用；或者任何其他需要高速图像数据获取的X射线呈现应用。

Description

用于旋转阳极型高功率X射线管构造的阳极盘结构的混合设计

本申请是2008年8月12日提交的申请号为200880103249.8、名称为“用于旋转阳极型高功率X射线管构造的阳极盘结构的混合设计”的分案申请。

技术领域

本发明涉及高功率X射线源，具体而言涉及X射线管构造，所述构造配备了能够传递比常规X射线源中使用的根据现有技术的常规旋转阳极高得多的短时峰值功率的旋转阳极。因此，这里提出的设计原理旨在通过允许阳极极快旋转以及在邻近焦点轨迹材料的区域内引入具有高热导率的轻便材料而克服峰值功率的热限制。有利地，能够将这样的高速旋转阳极盘应用到用于下述用途的X射线管中：材料检验或医学射线照相术；诸如心脏CT领域的实时获取移动对象的图像数据所需的X射线成像应用；或者任何其他需要高速图像数据获取的X射线呈现应用。本发明还涉及采用分段阳极盘的高速旋转阳极设计。

背景技术

在当前的CT系统中，安装在扫描架上的X射线管围绕需要检查的患者的身体的纵轴旋转，同时生成X射线的锥形射束。在所述扫描架上与所述X射线管相对安装的探测器系统围绕患者的纵轴沿相同方向旋转，同时将检测到的因经过患者的身体而衰减的X射线转换成电信号。之后，运行于工作站上的图像绘制系统根据体素化体数据集重建患者身体内部的平面重组图像、表面阴影显示或体绘制图像。

令人遗憾的是，施加到X射线管上的功率的99％以上都被转化成了热量。因而，有效的散热是当前的高功率X射线管的发展所面临的最大挑战。鉴于阳极对整个X射线管的运行和使用寿命的重要性，阳极往往是管设计的主要目标。

与固定阳极相比，旋转阳极型X射线管具有使沉积到焦斑上的热能跨越更大的焦点轨迹的表面分布的优点。这样使得短运行时间内的功率增大成为了可能。但是，由于现在阳极是在真空中旋转，因而，热能传递到管封壳的外部很大程度上取决于辐射，而辐射无法像固定阳极中采用的液体冷却那样有效。因而，对旋转阳极的设计追求高热存储容量以及阳极和管封壳之间的良好辐射交换。与旋转阳极相关的另一难点在于支撑系统在真空中的工作，以及针对阳极高温的破坏力对这一系统提供保护。

在旋转阳极X射线管的早期，阳极的有限热存储容量是高管性能的主要障碍。随着下述新技术的引入，这种情况得到了改观：钎焊到阳极上的石墨块显著提高了热存储容量和散热，液体阳极支撑系统(滑动支座)提供了与周围冷却油的热传导，旋转封壳管实现了对旋转阳极后侧的直接液冷。

钨已经发展成了针对医疗应用设计的多种X射线管阳极中的标准目标材料。旋转阳极管的阳极盘通常的包括沉积到主要由诸如钼(Mo)的难熔金属构成的主体上的1mm到2mm的钨－铼(W/Re)合金薄层。铼提高了钨的延展性，降低了热机械应力，并且由于阳极表面的变粗糙的过程变得更加缓慢而提高了阳极使用寿命。理想的商业和技术合金已经被确定为由5到10％的铼(Re)和90到95％的钨(W)构成。

如前所述，钎焊到钼主体的后侧的石墨块的引入代表了旋转阳极技术的进步。这种设计中的石墨块显著提高了阳极的热存储容量，同时只要求总的阳极重量略微增加。此外，更大的阳极表面以及与钼相比石墨的更加有利的发射系数加速了散热。可以采用锆(Zr)，或者为了获得更高的操作温度采用钛(Ti)，或者采用其他特殊设计的钎焊合金将钼和石墨钎焊到一起。

为了避免由于为加热阳极而提供的撞击电子所带来的热应力造成的损伤，并且避免材料的蒸发，很重要的一点是获得有关阳极基座、焦点轨迹和焦斑的温度的信息。

可以由电子提供的功率P、辐射所耗散的功率P_辐射和热传导所耗散的功率P_传导的平衡导出阳极盘温度：

P_阳极＝P-P_辐射-P_传导

$=\frac{d}{\mathrm{dt}}\·\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{Q}_i\left(T\right)=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\·\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i\left(T\right)=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\·\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_i\left(T\right)\·m_i\left[W\right].---\left(1\right)$

在这一方程中，采用下标i说明由几种成分构成的阳极中的各种材料，例如，金属盘、石墨环和其他材料，Q_i(T)＝T·C_i(T)[J]表示作为温度T(以K为单位)的函数的由各阳极成分i吸收的热能的量，C_i(T)＝c_i(T)·m_i[J·K^-1]表示作为所述温度T的函数的所述阳极成分i的热容量，c_i(T)[J·K^-1·g^-1]和m_i[g]分别表示所述成分的比热容量和质量，其中c_i是温度T的函数。如Stefan-Boltzmann定律所述，阳极盘主要通过热辐射耗散其热功率。

其中，T_阳极和T_封壳分别表示阳极盘和封壳的温度，A_i(T)是作为具有阳极成分i的表面区域S_i上的温度T的函数的该阳极成分i的阳极吸收系数，比例系数

表示Stefan-Boltzmann常数，k≈1.38066·10^-23J·K^-1表示Boltzmann常数，c≈2.99792458·10⁸m·s^-1是真空光速，h≈6.6260693·10^-34J≈4.13566743·10^-15eV是普朗克常数。

就具有液态金属支撑的阳极而言，还由液态金属通过热传导耗散了阳极热量当中的可观的部分。在这一语境下，应当指出，所述耗散的效率取决于X射线管的热导率常数κ[W·m^-2·K^-1]、支撑表面S_B[m²]以及阳极盘的温度T_阳极[K]和冷却油的温度T_油[K]之间的温度差：

P_传导＝κ·S_B·(T_阳极-T_油)[W].   (2c)

但是，焦斑的温度显著高于阳极盘的温度。对于标准的焦斑尺寸而言，不足0.05s的短加载时间内的温度升高可以由下式近似表达：

其中，P[W]表示功率输入，A_F＝2δ·l[mm²]表示焦斑的面积，Δt_加载[s]是加载周期，λ[W·mm^-1·K^-1]表示热导率，c[J·K^-1·g^-1]表示比热容，ρ[g·mm^-3]是焦点轨迹材料的质量密度，可以通过下式近似表示长加载时间内的温度升高：

其中，δ[mm]表示焦斑半宽。

尽管就固定阳极而言，方程(3a)中的加载周期Δt_加载对应于施加负载的周期，但是就旋转阳极而言，必须采用间隔Δt_加载’替代这一因数，以描述在阳极的一转内焦点轨迹上的点受到电子射束撞击的时间周期：

其中，R[mm]表示焦点轨迹半径，f[Hz]是阳极旋转频率。采用方程(4)的Δt_加载’替代方程(3a)中的Δt_加载，由此通过下式近似表示旋转阳极的焦斑上的温度升高

利用旋转阳极的焦斑上的温度升高和目标上的焦点轨迹的温度升高

，由受到电子束加热的众多的所有表面元素形成了所述焦点轨迹，所述焦点轨迹在使用过的目标上是可以看到的高度粗糙化的环，其中，k表示说明阳极厚度、热辐射和热扩散的系数，n＝Δt_加载·f表示时间Δt_加载内的转数，通过结合上文给出的方程(5a)和(5b)，可以通过下式获得实现总焦斑温度升高所需的阳极功率：

其中，l[mm]表示焦斑长度。

如果采用诸如计算机断层摄影(CT)系统或其他系统的X射线成像系统描绘运动对象，那么通常需要高速图像生成，以避免出现运动伪影。可以举出的一个例子是人心脏的CT扫描(心脏CT)：在这种情况下，希望在不到100ms的时间内以高分辨率和高覆盖率执行对心肌层的完整CT扫描，其中，所述时间处于心脏周期中心肌层处于静止状态的时间跨度内。高速图像生成需要相应的X射线源的高峰值功率。通常将医疗或工业X射线成像系统所采用的常规X射线源实现为这样的X射线管，其中，通过大约高达150kV的高压将阴极在高真空管内发射的经聚焦的电子束加速到阳极上。在阳极上的小焦斑上，生成了作为轫致辐射和特征X射线的X射线。从电子束功率到X射线功率的转换效率很低，最多在1％和2％之间，在很多情况下甚至更低。因此，高功率X射线管的阳极承担着极高的热负荷，尤其是在焦点(处于大约几平方毫米的范围内的区域)内，如果不采取特殊的热管理措施，这样的热负荷将导致对管的破坏。通常采用的对X射线阳极的热管理技术包括：

–采用能够抵御非常高的温度的材料，

–采用能够存储大量的热的材料，因为很难将热量从真空管中输送出去，

–利用小的阳极角度，在不扩大光学焦点的情况下扩大热有效焦斑面积，以及

–通过旋转阳极而扩大热有效焦斑面积。

尤其是最后一点最为有效：焦点轨迹相对于电子束的速度越高，电子束将其功率沉积到相同的小的材料体积内的时间越短，因而所引起的峰值温度就越低。通过将阳极设计成具有大半径(例如10cm)的旋转盘并以高频率(例如，超过150Hz)旋转该盘而实现高焦点轨迹速度。显然，阳极的半径和旋转速度受到离心力的制约。上述旋转盘内的机械应力大致与ρ·r²·ω²成比例，其中，ρ[g·cm^-3]表示所采用的阳极盘材料的密度，r[cm]是半径，ω[rad·s^-1]是阳极盘的旋转频率。焦点轨迹速度v_FT[cm·s^-1]与r·ω成比例。因此，焦点轨迹速度v_FT的提高将导致阳极盘内的机械应力的提高，而最终机械应力的提高将使阳极盘破裂。当前的高功率X射线管大多数是由难熔金属构成的。一方面，诸如钨(W)或钼(Mo)的难熔金属具有高原子序数，并且能够提供较高的X射线产出率。因此，在焦点轨迹上需要这样的金属。另一方面，这些材料的特征在于，高机械强度和高热稳定性。同时，大的阳极提供了用于储热的大热“质量”。热设计是储热和热分布之间的折衷。但是，即使这些阳极以最高的可能旋转速度工作，其最高峰值功率也不足以满足在不存在运动伪影的情况下对诸如人的心肌层的运动对象成像的要求。

FR2496981A涉及一种X射线管的旋转阳极，所述旋转阳极的用于碰撞电子的撞击面位于在旋转轴处固定在石墨体上的金属环上。根据该文献中公开的发明的实施例，将用作连接元件的金属轮轴附接在石墨体和旋转轴之间。根据在该参考文献中描述的发明的另一实施例中，将石墨体划分为10到12个独立的阳极扇区。

在US2007/0071174A1中，描述了一种X射线目标，其包括在以可操作的形式耦合至X射线目标帽的复合石墨材料。前述复合石墨材料的热属性存在空间变化，在一些实施例中，其强度属性存在空间变化。在一些实施例中，所述空间变化是连续体，在其他实施例中，所述空间变化是多个不同的部分。

JP08250053A描述了一种X射线管旋转阳极(旋转目标)，其能够同时获得高比强度和高热传导。所述旋转阳极设有用于层压单向碳－碳纤维复合材料的基底材料，所述复合材料具有1.0mm或不足1.0mm的厚度，在纤维轴向上具有500MPa或更大的拉伸强度，以及具有200Wm^-1K^-1或更高的热导率，另外，所述旋转阳极沿旋转轴方向设有三层或更多，以具有伪各向同性。在基底材料的一个表面上设有由钨或钨合金构成的X射线生成层。因而，这一基底材料的特征在于，沿表面方向具有200W·m^-1·K^-1或更高的热导率。

JP2002/329470A1涉及一种X射线管的旋转阳极，其在热辐射属性、耐热冲击能力和高机械强度方面出类拔萃，通过这些特质能够使故障形变、断裂等不会容易地发生，从而实现长使用寿命。此外，该文献中描述的发明涉及用于制造这样的旋转阳极的制造方法。在所述旋转阳极的制造方法中，实施表面加工和表面处理，从而使由钨或铼－钨合金构成的阳极的所有接合表面的表面粗糙度R_最大大约为3μm或小于3μm，使其平坦度大约为60μm或小于60μm，使由钼或钼合金构成的支撑侧的所有接合表面的表面粗糙度R_最大大约为3μm或小于3μm，使其平坦度大约为20μm或小于20μm。此外，在热压机或热各向同性压力机生成的真空或惰性气体气氛下，在温度处于1600和1800℃之间，压力处于15和35MPa之间的条件下按照所描述顺序层压石墨或碳纤维复合材料、锆石蜡材料、由钼或钼合金(TZM，Mo-TiC)构成的盘以及由钨或铼－钨合金构成的盘，并使其接合至一个主体，进而保持1到3小时之间的时间。

US3751702A涉及一种旋转阳极型X射线管，其包括以弹性的方式安装在轴杆上并且其上含有电子撞击部分的盘。所述盘设有凹口，所述凹口落在旋转轴上的同心圆上，所述凹口从阳极盘的上表面和下表面二者开始延伸，并至少部分穿过了阳极盘的厚度。因而，从某种程度上延长了阳极盘的轴和电子撞击部分之间的热连接。由于现在阳极盘多少具有一些弹性，因而缓解了形变应力。此外，在不使阳极盘破裂的情况下能够承受更大的温度梯度。

发明内容

本发明通过新的旋转阳极盘的设计原理克服了上述现有技术中已知的常规高功率X射线管的峰值功率限制，其中，所述新的设计原理涉及新的材料成分和混合设计。根据本发明构建的X射线阳极将以比当前阳极高得多的频率(例如，以大约300Hz的旋转频率)旋转，同时具有与当前阳极相当甚至更大的半径。因此，将产生高得多的焦点轨迹的相对速度。到现在还没有提及的常规高功率X射线阳极的第二个缺点在于，用作阳极材料的难熔金属无法提供高热导率。本发明提出的阳极设计不仅允许更快的旋转，而且提供了靠近焦点轨迹的更高的热导率。因此，本发明将实现X射线管的峰值功率能力的突破，从而在没有运动伪影的情况下实现对运动对象的高速成像。

为了实现这一目的，本发明提出了一种新的旋转X射线阳极的设计原理，其能够比现有技术已知的常规旋转X射线阳极传递高得多的短时峰值功率。因此，这里提出的设计原理旨在通过允许阳极极快旋转以及在邻近焦点轨迹材料的区域内引入具有高热导率的轻型材料而克服峰值功率的热限制。通过提供由各向异性高比强度材料构成的旋转阳极盘部分实现所述极快旋转，其中，所述材料特别适合于在阳极工作时积聚的高应力，例如，所述材料可以是纤维强化陶瓷材料。配备了根据本发明的高峰值功率阳极的X射线系统将能够以高分辨率和高覆盖率实现高速图像获取，例如，在诸如心脏CT的对运动对象的计算机断层摄影中就需要所述高速图像获取。

如上所述，本发明提出的针对高功率X射线阳极的新的设计原理反映了本发明人的下述理解，即，对适于运动对象的高速成像的X射线管的主要要求并非是平均功率而是其(短时)峰值功率能力。例如，如果能够在100ms或更短的时间内完成对心肌的完整CT扫描，那么所需的峰值功率极高，但是在阳极上沉积的总的热负荷则与常规心脏CT扫描相同甚至更低。实际上，所述总的热负荷可能更低，因为只需取得一个心脏周期内心肌的静止阶段的相关图像，而对心脏的常规CT成像则需要扫描至少一个心脏周期，而且大多数要扫描多个心脏周期。

因此，所述热设计不再需要大的热“质量”，而是完全关注于快速的热分布。此外，没有必要将主要的需求——高热导率和为了实现极快旋转的高机械强度——结合到同一种材料内。所述阳极需要保持快速旋转的非常强固的框架，并且需要在接近焦点轨迹处具有高热导率。因此，本发明提出了一种定制的旋转阳极混合设计。可以将所提出的阳极的主要特征总结如下：首先，应当提及的是，只能采用轻型材料，以降低离心力(与密度成比例)。此外，采用具有10cm或更大的半径的阳极盘。其中，所述阳极盘可以包括至少一个具有高热导率的部分以及至少一个提供强固框架的具有高机械强度和稳定性的部分。可以采用几种材料制造所述阳极盘，但是至少接近焦点轨迹的材料必须具有高热稳定性，这样才能够抵御高温。根据本发明的示范性实施例所提出的混合阳极盘设计，例如，可以通过高比强度材料(即，结构强度与其密度相比具有高比率的材料)提供这一高机械强度，这样的材料具有根据旋转阳极内的由于极快的旋转和热膨胀而产生的应力负载的分布而特殊设计的各向异性材料特性。所述高比强度材料还提供了高热稳定性和可设计的各向异性材料特性，其可以是纤维强化陶瓷，例如，碳纤维强化碳(CFC)、碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)或者其他强化陶瓷材料。其中，对纤维取向进行特殊设计，以承受极端的应力负荷。具有高热导率，同时具有高热稳定性和低密度的材料可以是(例如)经过设计具有高热导率的特殊石墨材料。

根据本发明的另一实施例，所述旋转阳极盘可以具有相对于旋转阳极盘的旋转平面的对称设计。其优点在于避免了阳极盘在旋转状态下发生弯曲。另一个优点在于，这一阳极可以采用两个不同的焦点轨迹工作，因而能够切换聚焦位置，这对某些成像应用有好处。

根据本发明的又一实施例，所述旋转阳极盘可具有的特征为，沿径向的非恒定的逐渐降低的剖面厚度。其优点在于具有更好的应力分布，并且降低了最大应力。

根据本发明的又一实施例，所述旋转阳极盘可以包括处于与焦点轨迹相邻的部分内的由“框架材料”型材料构成的额外区域。其能够使整个阳极设计具有额外的稳定性。

根据本发明的又一实施例，将所述旋转阳极盘的内部框架部分设计成辐条轮。其隐含着总重量下降，因而离心力下降的优点。此外，辐条的伪1D结构尤其适于径向取向纤维的强化。

根据本发明的又一实施例，例如，所述旋转阳极盘可具有的特征为，从阳极盘的外缘通往内部阳极块的狭缝，其有助于降低切向应力的生成。此外，对于具有狭缝的设计变型而言，可以在所得到的段的边界处引入具有“框架材料”的额外区域，以强化所述分段结构。

本发明的另一示范性实施例涉及X射线管的高速旋转阳极，其特征在于，外部框架部分，所述外部框架部分用作围绕内部阳极部分的关键支撑结构。例如，这一外部框架部分可以由碳纤维、碳纤维强化材料或者任何其他纤维强化的高比强度和高度热稳定的材料构成，由此，所示外部框架部分用作对内部阳极部分的主要机械支撑。

根据这一示范性实施例的第一细化，提出了一种分段阳极盘结构，其中，例如，可以通过具有恒定宽度的S形狭缝对内部阳极部分(包括焦点轨迹)分段，所述狭缝从所述内部阳极块体延伸至所述旋转阳极盘的外部框架部分的内径边缘。就此而言，提出具体的阳极段至少部分连接至外部框架部分，并且通过对所述具体的阳极段进行设计而将径向热膨胀转化成段的容许转矩，由此吸收径向热膨胀。

这一示范性实施例的另一细化涉及一种高速旋转阳极盘，其特征在于，上述外部框架部分，其中，所述阳极还包括提供了处于阳极盘和阳极轴之间的液态金属连接的液态金属热导体。由其实现了阳极盘的径向热传导和无力(forceless)膨胀。

这一示范性实施例的又一细化涉及一种高速旋转阳极盘，其特征在于，上述外部框架部分，其中，所述阳极还包括阳极盘和阳极盘的旋转轴杆之间的径向滑动连接以及通过分别附接到阳极盘或旋转轴杆上的固定接头连接阳极盘和阳极盘的旋转轴杆的柔性热导体。这样得到的好处是避免了径向热诱发力，同时仍然能够在阳极盘和旋转轴杆之间提供良好的热传导。还提出了，例如，可以将柔性热导体实现为单根铜线或者一束不同的铜线。

根据另一实施例，本发明涉及一种旋转阳极型X射线管，其包括上述混合旋转阳极盘。

最后，本发明还涉及一种包括这样的X射线管的计算机断层摄影装置。

附图说明

通过下述说明、权利要求和附图，本发明的有利特征、方面和优点将变得显而易见。其中，

图1示出了根据本发明的示范性实施例的新颖旋转阳极盘的设计横截面(剖面)，所述阳极盘包括由至少一种具有高热稳定性的各向异性高比强度材料(“框架材料”)构成的内框架部分和外框架部分，以及与阳极的焦点轨迹相邻的区域，其中，所述区域由具有高热导率的轻型(未加强)材料(“热材料”)构成；

图2示出了图1中所示的旋转阳极盘剖面的设计变型，其相对于旋转阳极盘的旋转平面具有对称设计；

图3示出了图1所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于沿径向具有非恒定的逐渐降低的剖面厚度；

图4示出了图1所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于与焦点轨迹相邻的部分内的由所述“框架材料”构成的额外区域；

图5示出了图1所示的旋转阳极盘剖面的设计变型，其特征在于被设计成了辐条轮的内部框架部分；

图6示出了图5所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于从阳极盘的外缘通往内部阳极块体的狭缝；

图7示出了图6所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于与焦点轨迹相邻的区域内的由所述“框架材料”构成的额外区域；

图8示出了根据本发明的另一示范性实施例的分段旋转阳极盘剖面，其特征在于阳极盘的特定段之间的S形狭缝；

图9示出了根据本发明的又一示范性实施例的旋转阳极盘剖面的径向横截面视图，其特征在于液态金属热导体；以及

图10示出了根据本发明的又一示范性实施例的旋转阳极盘剖面的径向横截面图，其特征在于柔性热导体以及阳极盘和阳极的旋转轴杆之间的径向滑动连接。

所采用的参考编号或标记及其含义的表格

1     旋转阳极的内部框架部分(又称为内部阳极块体)，其由至少一种具有高热稳定性的各项异性高比强度材料(“框架材料”)构成

2     旋转阳极的与焦点轨迹相邻的区域，其由具有高热导率和高热稳定性的轻型(未强化)材料(“热材料”)构成

2a    阳极盘表面上的焦斑(在图8中与狭缝同时示出)

3     旋转阳极的外部框架部分，其由至少一种具有高热稳定性的各向异性高比强度材料(“框架材料”)构成，该材料可以不同于部分1所采用的材料

4     焦点轨迹的涂覆层，其由具有高X射线产出率的材料(例如，含有高比例的钨作为“轨迹材料”)构成

5     旋转阳极盘的旋转轴

6     旋转阳极盘的额外区域，其由至少一种“框架材料”类型的材料构成

7     撞击到阳极的焦点轨迹上的电子束

8     朝向X射线管的X射线窗口的X射线发射

9     由至少一种“框架材料”类型的材料构成的额外区域，其被引入到了区域2内所形成的段的边界处，从而用来强化所述分段结构

10a   由S形狭缝限定的阳极段

10b   由径向直狭缝限定的阳极段

11    S形段10a与区域3的局部化接合

12    阳极的旋转轴杆，其起着热沉的作用

13    具有增强的弯曲的点

14a   两个阳极段10a之间的S形狭缝(缝隙)

14b   两个阳极段10b之间的径向直狭缝(缝隙)

14c   从旋转阳极盘的外缘通往内部阳极块体1的狭缝

15    液态金属密封件，例如，其是由非浸润表面给出的

16a   在阳极正在旋转的状态下示出的液态金属导体

16b   在旋转阳极静止的状态下示出的液态金属贮存器

17    安装在旋转轴杆12的凸缘状突出部分和旋转阳极的内部框架部分1之间的滑动元件

18    通过附着在内部框架部分1和旋转轴杆12的外表面上的接头19连接旋转阳极的内部框架部分1和旋转阳极的旋转轴杆12的柔性热导体(例如，由至少一根铜线构成)

19    柔软热导体18和旋转阳极的内部框架部分1之间的接头

α     区域2的径向倾斜角

    旋转阳极的旋转角

    分段阳极盘的方位狭缝间隔，其被定义为沿方向限定阳极段的第一狭缝的径向最远点到另一相邻的沿方向限定对应的阳极段的狭缝的径向最远点之间的方位角

    单个S形狭缝的方位覆盖角，其处于S形狭缝的方向的方位上最远点到同一狭缝的方向的方位上最远点之间的范围内

    和的差角

r₀    旋转轴杆12的外径，同时也是旋转阳极的内部框架部分1的内径

r₁    内部框架部分1的外径，同时也是旋转阳极的区域2的内径

r₂    区域2的外径，同时也是旋转阳极的外部框架部分3的内径

r₃    旋转阳极的外部框架部分3的外径

具体实施方式

在下文中，将相对于特殊的细化并参考附图更加详细地说明本发明的混合阳极。

可以通过图1所示的旋转阳极盘的设计横截面演示本发明的基本示范性实施例。所提出的阳极盘包括两个框架部分1和3，所述框架部分由具有高机械强度和稳定性的各向异性高比强度材料(诸如纤维强化型陶瓷材料的“框架材料”)构成，其特别适合于在阳极盘以极高的旋转速度和极高的短时峰值功率工作时积聚的高应力。部分4是焦点轨迹的涂覆层，其由具有高X射线产出率的材料构成，例如，其含有高比例的钨(W)作为“轨迹材料”。部分2处于与焦点轨迹材料4相邻的区域内，由具有高热导率的轻型(未强化)材料构成(“热材料”)。例如，其可以是为了获得高热导率而特别设计的石墨材料。所述“热材料”的另一特征在于，其热膨胀系数沿所有的方向都非常适合于所述“轨迹材料”的热膨胀系数。例如，可以以石墨作为“热材料”，以钨(W)或钨－铼合金(W/Re)作为“轨迹材料”而实现这一目的。所述焦点轨迹层可以非常薄(与电子的贯穿深度相适应，大约以10μm为量级)。这样允许在生成热的区带和具有高热导率的部分2的下层材料之间形成直接接触，从而促进有效的热转移以及焦斑的冷却。其中，例如，可以通过诸如CVD(化学气相淀积)或PVD(物理气相淀积)的薄膜涂覆技术将所述“轨迹材料”涂覆到阳极上。作为一种替代方案，轨迹层也可以较厚，例如，约为100μm到1mm。这样将使得轨迹层具有较高的机械强度，可以通过诸如等离子体喷涂的生成较厚涂覆层的技术将所述轨迹层涂覆到阳极上。

在图1中，通过α表示部分2的径向倾斜角，在下文中又将其称为“阳极角”。附图标记5表示旋转轴，附图标记7表示撞击在阳极盘的焦点轨迹上的电子束，附图标记8表示朝向X射线管的X射线窗口的X射线发射。

可以根据处于高速旋转下的旋转阳极内的各向异性非均匀应力分布以及热负荷对“框架材料”进行特殊设计。出于这一目的，还可以对图1中的框架部分1和3进一步细分，从而将不同材料结合到一个部分内。例如，如果所选择的“框架材料”是CFC材料，那么可以对纤维含量、纤维取向和纤维层叠进行设计，从而满足在阳极的整个负载周期内都提供最大的稳定性。作为纤维取向的设计的例子，或者从更为一般的形式上来讲，作为框架材料的优化的例子，应当提及，具有中心孔的旋转盘倾向于在内径上积聚高切向应力。因此，作为材料优化的部分，可以(例如)通过该区域内的强切向纤维提高切向的机械强度。

在接下来的部分中，将说明图1所示的基本设计的另一变型。应当注意，也可以将这些设计变型结合起来，以获得根据本发明的具体阳极设计。在下面的附图当中，其附图标记1到5将具有与图1中相同的含义。

在图2中示出了图1中所示的旋转阳极盘剖面的设计变型，其相对于旋转阳极盘的旋转平面具有对称设计。其优点在于避免了阳极盘在旋转状态下发生弯曲。另一个优点在于，这一阳极可以采用两个不同的焦点轨迹工作，因而能够切换聚焦位置，这对某些成像应用有好处。但是，没有必要为了获得相对于阳极的旋转平面的对称设计而提供两个焦点轨迹。可以采用任何其他使阳极相对于其旋转平面平衡的手段以避免阳极盘在旋转时发生弯曲。

图3示出了图1所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于沿径向的非恒定的逐渐减小的剖面厚度。其优点在于使应力得到了更好的分布，从而降低了最大应力。其可以是图3所示的锥形剖面，或者任何其他针对指定的材料组合降低了最大应力的剖面形状。

图4示出了图1所示的旋转阳极盘剖面的又一设计变型，其特征在于与焦点轨迹相邻的部分内的由所述“框架材料”类型的材料构成的额外区域。这将使整个阳极设计具有额外的稳定性。

图5中的设计变型的特征在于，被设计成辐条轮的内部框架部分。其隐含着总重量下降，因而离心力下降的优点。此外，辐条的伪1D结构尤其适于径向取向纤维的强化。

图6示出了图5所示的旋转阳极盘剖面的另一设计变型，其特征在于，从阳极盘的外缘通往内部阳极块体的狭缝。其有助于降低所产生的切应力。

对于采用狭缝的设计变型而言，可以在部分2内于所产生的各段的边界处引入“框架材料”，以强化所述分段结构。在图7中示出了将这些额外区域9容纳到阳极盘上的例子。

在图8到10中，示出了本发明的三个示范性实施例，在所述实施例中，通过S形狭缝结构(第一实施例)、液态金属热导体(第二实施例)和柔性热导体(第三实施例)提供用于实现热－机械“呼吸”的柔软性。

本发明的这三个示范性实施例中的第一个提出了一种具有多个段的分段高速阳极，所述多个段是由具体阳极段之间的S形狭缝定义的。根据这一实施例，所述阳极段与外侧框架部分仅部分连接。采用段与外侧框架部分之间的局部化接合将使得所述段在不会向外侧框架部分引起额外的热－机械方位(azimuthal)力的情况下在方位上膨胀。其导致了径向热膨胀到转矩的转换。其中，将方位S形角选择为大于狭缝间隔角，以确保使径向力最小，其中，处于S形狭缝的方向的方位上最远点到同一狭缝的方向的方位上最远点的范围内，被定义为处于沿方向限定阳极段的第一狭缝的径向最远点到另一相邻的沿方向限定对应的阳极段的狭缝的径向最远点之间的方位上的角。差角所具有的幅度被设置为使来自内部阳极块体的内径r₀与前述邻接外侧框架部分的狭缝阳极段的外径r₂之间的位置的热传导最大化，并且使所述段(更精确而言，是具有增强的弯曲的点)的变形最小化。因而通过给出所述狭缝的数量N。

图9所示的所述三个示范性实施例中的第二个涉及一种具有在阳极和阳极轴之间提供了液态金属连接的液态金属热导体的高速旋转阳极盘。这实现了阳极盘的径向热传导和无力(forceless)膨胀。

图10所示的本发明的这三个示范性实施例中的第三个涉及一种具有在阳极盘和阳极的旋转轴杆之间的径向滑动连接的高速旋转阳极盘，其中，以(例如)可以通过铜线提供的柔性热导体的形式实现所述连接。从而，能够得到避免产生径向热诱发力的优点。

本发明的应用

可以将本发明应用于任何X射线成像领域，尤其是在需要以高峰值功率实现非常快速的图像获取的情况下，例如，基于X射线的材料检查领域，或者诸如心脏CT的医疗成像领域，或者其他用于实时获取移动对象的图像数据的X射线成像应用。

尽管在附图和前述说明中对本发明给出了详细的图示和说明，但是应当将这样的图示和说明看作是说明性的或者示范性的，而非限定性的，这意味着本发明不局限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词不排除复数。不应将权利要求中的任何附图标记解释为限制本发明的范围。

Claims (27)

1.一种用于旋转阳极型高功率X射线管构造的混合旋转阳极盘，所述旋转阳极盘包括：

–由第一材料构成的至少两个支撑结构(1，3，6)，以及

–由第二材料构成的至少一个部分(2)；

其中，所述第一材料具有高比强度，这是指所述第一材料是结构强度与密度相比具有高比率、从而具有高比机械阻力的材料，所述第一材料提供了高热稳定性和可设计的各向异性材料特性；

其中，所述第二材料是在所述旋转阳极的表面上与焦点轨迹(4)的涂覆层材料相邻的区域内具有高热导率、同时具有高热稳定性的轻型材料；

其中，所述至少两个支撑结构包括内部框架部分(1)和外部框架部分(3)；

其中，所述外部框架部分(3)完全包围所述旋转阳极的所述内部框架部分(1)；并且

其中，将所述旋转阳极盘划分成分立的阳极段(10a，10b)，其中，通过从所述内部框架部分(1)延伸到所述旋转阳极盘的外部框架部分(3)的内径边缘的径向直狭缝(14a)或S形狭缝(14b)将相邻的阳极段相互限定开。

2.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述第一材料由纤维强化陶瓷构成。

3.根据权利要求2所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述第一材料由碳纤维强化碳(CFC)或碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)构成。

4.根据权利要求1或2所述的混合旋转阳极盘，

其中，由经过设计以获取高热导率的特殊石墨材料给出所述第二材料。

5.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘相对于所述旋转阳极盘的旋转平面具有对称设计。

6.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘的特征在于，沿径向非恒定的逐渐降低的剖面厚度。

7.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘可以包括处于与所述焦点轨迹相邻的部分内的由所述第一材料型材料构成的额外区域(6)。

8.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述外部框架部分(3)由碳纤维或碳纤维强化材料构成，所述外部框架部分用作对所述内部框架部分(1)的主要机械支撑。

9.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

其中，将所述阳极段(10a，10b)至少部分连接至所述外部框架部分(3)。

10.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，

包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的旋转轴(5)之间的液态金属导体(16a)，其在所述旋转阳极和其旋转轴杆(12)之间提供了液态金属连接。

11.根据权利要求10所述的混合旋转阳极盘，

包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的所述旋转轴杆(12)之间的径向滑动连接元件(17)。

12.根据权利要求11所述的混合旋转阳极盘，

包括柔性热导体(18)，其通过附接到所述内部框架部分(1)的外表面上和使所述旋转阳极围绕其旋转轴(5)旋转所需的旋转轴杆(12)的外表面上的接头(19)连接所述内部框架部分(1)和所述旋转轴杆(12)。

13.根据权利要求12所述的混合旋转阳极盘，其中，所述柔性热导体(18)由至少一根铜线构成。

14.一种用于旋转阳极型高功率X射线管构造的混合旋转阳极盘，所述旋转阳极盘包括：

–由第一材料构成的至少两个支撑结构(1，3，6)，以及

–由第二材料构成的至少一个部分(2)；

其中，所述第一材料具有高比强度，这是指所述第一材料是结构强度与密度相比具有高比率，从而具有高比机械阻力的材料，所述第一材料提供了高热稳定性和可设计的各向异性材料特性；

其中，所述第二材料是在所述旋转阳极的表面上与焦点轨迹(4)的涂覆层材料相邻的区域内具有高热导率、同时具有高热稳定性的轻型材料；

其中，所述至少两个支撑结构包括内部框架部分(1)和外部框架部分(3)；

其中，所述外部框架部分(3)完全包围所述旋转阳极的所述内部框架部分(1)；并且

其中，将所述旋转阳极盘的内部框架部分(1)设计成辐条轮。

15.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述第一材料由纤维强化陶瓷构成。

16.根据权利要求15所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述第一材料由碳纤维强化碳(CFC)或碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)构成。

17.根据权利要求14或15所述的混合旋转阳极盘，

其中，由经过设计以获取高热导率的特殊石墨材料给出所述第二材料。

18.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘相对于所述旋转阳极盘的旋转平面具有对称设计。

19.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘的特征在于，沿径向非恒定的逐渐降低的剖面厚度。

20.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述旋转阳极盘可以包括处于与所述焦点轨迹相邻的部分内的由所述第一材料型材料构成的额外区域(6)。

21.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

其中，所述外部框架部分(3)由碳纤维或碳纤维强化材料构成，所述外部框架部分用作对所述内部框架部分(1)的主要机械支撑。

22.根据权利要求14所述的混合旋转阳极盘，

包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的旋转轴(5)之间的液态金属导体(16a)，其在所述旋转阳极和其旋转轴杆(12)之间提供了液态金属连接。

23.根据权利要求22所述的混合旋转阳极盘，

包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的所述旋转轴杆(12)之间的径向滑动连接元件(17)。

24.根据权利要求23所述的混合旋转阳极盘，

包括柔性热导体(18)，其通过附接到所述内部框架部分(1)的外表面上和使所述旋转阳极围绕其旋转轴(5)旋转所需的旋转轴杆(12)的外表面上的接头(19)连接所述内部框架部分(1)和所述旋转轴杆(12)。

25.根据权利要求24所述的混合旋转阳极盘，其中，所述柔性热导体(18)由至少一根铜线构成。

26.一种包括根据权利要求1到25中的任一项所述的混合旋转阳极盘的旋转阳极型X射线管。

27.一种包括根据权利要求26所述的X射线管的计算机断层摄影装置。