CN104979149B - 使用负热补偿阳极移动的x射线管及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用负热补偿阳极移动的X射线管，其由旋转阳极、阴极、X射线管外壳、定子线圈等组成。所述旋转阳极包括：阳极转子、轴托、轴托加热带和旋转轴承，其中，轴托与X射线管外壳固定在一起，为阳极转子提供转轴，阳极转子通过旋转轴承连接在轴托的外侧。本发明还涉及使用负热补偿X射线管阳极移动的方法，其在X射线管焦点偏移的情况下，通过改变轴托加热带的电流，使阳极转子沿着反方向移动从而使得焦点就回到了原位置的方式，实现对焦点移动的补偿。根据本发明的X射线管及其阳极移动补偿方法，其通过采用负热膨胀系数来抑制阳极的热膨胀，从而使得阳极热膨胀造成的漂移减小，从而有效解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题。
Description
技术领域
本发明涉及CT机上X射线管技术领域，具体涉及在CT机的X射线管阳极使用负热膨胀系数材料来补偿阳极移动的X射线管及其补偿方法。
背景技术
X射线成像的原理是用X射线通过人体，由于人体各组织器官对X射线衰减程度不同，X射线通过人体后来得到人体内部不同组织器官的结构信息。普通的X光片只使用一个特定角度的X射线衰减数据，得到的是人体三维结构在这个方向上的二维投影图像。CT机则同时使用多个角度的衰减数据，能够完整地重建出人体的三维结构。X射线管作为X光的光源，是X射线成像设备中的核心部件。光源输出的X射线的稳定程度，也直接影响到X射线最终成像的图像质量。
目前CT机上通常使用的X射线管结构如图1所示，其主要由灯丝、旋转阳极10、阴极20、X射线管外壳30和定子线圈40等组成。其中，旋转阳极10包括：阳极转子101、轴托102、旋转轴承103和阳极靶104。X射线管外壳30上开有射线输出窗301。灯丝由电子发射能力比较强的材料制成，比如钨或者六硼化镧。旋转阳极10由耐高温的金属材料制成，比如钨钼合金。处于工作状态时旋转阳极10会高速旋转，转速可达5000r/s或更高。整个X射线管内部处于真空状态，外部则是充满散热用的硅油。在实际使用的产品中，X射线管和硅油循环系统一起封装在一个大的金属外壳中。
X射线管的工作原理是：在电极间加上高压产生100KV左右的加速电场，这个加速电场给位于阴极的灯丝通入电流使其处于炙热状态，此时灯丝会发射出电子。这些电子经过加速后，轰击在阳极靶上。高速电子和阳极靶材料相互作用的过程会产生X射线。但电子能量只有很小一部分，能够转化成X射线，其余的能量都会转化成阳极靶材料晶格振动的能量，这会使阳极靶的温度变得很高，可以瞬间达到几千摄氏度。由于电子轰击阳极靶会放出大量的热，因此阳极必须有很好的散热措施。旋转阳极的目的就是让阳极不停地高速旋转，电子不同时刻轰击在阳极靶的不同位置，以此避免阳极靶表面同一点的过热现象发生。
由于电子的轰击使得阳极靶处于高温状态，在高温作用下阳极靶会产生热膨胀，这使得阳极靶在电子轰击下产生出的X射线，其焦点不可避免地会随着阳极靶的温度而变化，这种现象称为焦点漂移。因为X射线的接收装置和X射线管外壳的相对位置是固定的，当焦点漂移后探测器接收到的数据和漂移前的数据就会有差别。这一差别会影响对最终得到的图像质量产生不好的影响，使图像发生模糊或者产生和实际结构不一致的条纹。
发明内容
鉴于现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供使用负热补偿阳极移动的X射线管及补偿方法，通过采用负热膨胀系数来抑制阳极的热膨胀，从而使得阳极热膨胀造成的漂移减小，从而有效解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
使用负热补偿阳极移动的X射线管，其包括：旋转阳极、阴极、X射线管外壳、定子线圈。其中，所述旋转阳极包括：阳极转子、轴托、轴托加热带和旋转轴承，所述轴托与所述X射线管外壳形成在一起，为所述阳极转子提供转轴，所述阳极转子通过所述旋转轴承连接在所述轴托的外侧。
所述阳极转子包括：阳极靶，其形成在前端；U型结构，其与旋转轴承两端相衔接；以及阳极靶连接杆，其连接着阳极靶和U型结构。
较佳地，阳极靶、U型结构和连接着阳极靶和U型结构的阳极靶连接杆一体成型。
旋转阳极的轴托和轴托加热带使用负热膨胀系数材料制作，所述负热膨胀系数材料是锆钨酸盐，或者是其它负热膨胀系数材料。阳极靶连接杆使用负热膨胀系数材料制成。
优选地，轴托与旋转阳极相接触的一端设计成凸起端，所述凸起端嵌入到所述旋转阳极中，另一端悬空；阳极靶连接杆的两个端面设计成左、右两个凸起端面，该左、右两个凸起端面紧密地嵌入到与阳极靶和U型结构相结合的部位中。
轴托的凸起端和阳极靶连接杆两端凸起的部分设置缓冲层，所述缓冲层通过扩散注入方式实现材料组分的渐变，该材料组份渐变是指从正热膨胀系数连续过度到负热膨胀系数。
轴托加热带使用电阻丝材料制作，其面积和电阻值根据材料随着温度伸缩的特性曲线来得到。
使用负热补偿X射线管阳极移动的方法，其步骤包括：
步骤1，进行一次X射线曝光，把从探测器上得到的曝光数据传输到数据分析装置，所述数据分析装置根据该曝光数据计算出X射线的当前焦点位置；
步骤2，将所述当前焦点位置发送到电子控制器，理想焦点位置预先被设置保存在电子控制器上；
步骤3，计算出X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ，将所述当前焦点位置和所述理想焦点位置相减，得到X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ；
步骤4，计算出使轴托收缩DZ距离所需的加热电流I；
步骤5，电子控制器将轴托加热带的电流调节到I，使轴托温度达到T，此时轴托收缩量就为DZ，轴托收缩DZ就带动阳极转子也移动DZ距离。
在步骤4中，电子控制器根据轴托所使用的负热膨胀材料的性能曲线，计算出收缩DZ需要的温度T；再根据加热带的性能曲线，计算出使轴托达到温度T所需的加热电流I。
本发明的有益效果：
(1)阳极靶上产生的热通过传导和辐射，使得采用负热膨胀系数材料制作的旋转轴托温度升高，此时旋转轴托发生收缩，起到抑制阳极膨胀造成的焦点漂移，从而提供更稳定的X射线输出。
(2)本发明还可以通过在阳极靶的旋转轴外侧制作一圈加热带的结构方案来进一步主动控制负热膨胀系数材料的温度。通过该加热带来加热负热膨胀系数材料，使其收缩，从而进一步抑制焦点漂移。
附图说明
图1是现有技术中X射线管的结构示意图；
图2是根据本发明的X射线管的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明揭示了使用负热补偿阳极移动的X射线管，其通过采用负热膨胀系数来抑制阳极的热膨胀，从而使得阳极热膨胀造成的漂移减小。图2示出了根据本发明的X射线管的结构示意图，结合图2来看本发明的X射线管结构如下：
本发明的X射线管由旋转阳极1、阴极2、X射线管外壳3、定子线圈4等组成。其中，X射线管外壳3上开有射线输出窗31。
所述旋转阳极1包括：阳极转子11、轴托12、轴托加热带13和旋转轴承14。轴托12与X射线管外壳3形成在一起，为阳极转子11提供转轴，阳极转子11通过旋转轴承14连接在轴托12的外侧。阳极转子11包括：形成在前端的阳极靶111，与旋转轴承两端衔接的U型结构112，以及连接着阳极靶111和U型结构112的阳极靶连接杆113三部分。优选地，形成在前端的阳极靶111，与旋转轴承14两端衔接的U型结构112，以及连接着阳极靶和U型结构的阳极靶连接杆一体成型。
本发明的旋转阳极1的轴托12使用负热膨胀系数材料制作，所述负热膨胀系数材料可以是锆钨酸盐，也可以是其它负热膨胀系数材料。
在一个较佳实施例中，在旋转阳极1的轴托12外侧制作一圈轴托加热带13，其用来加热负热膨胀系数材料，使其收缩。该轴托加热带13的电流可以通过焦点漂移量反馈来控制。
本发明的一个优选实施例中，X射线管整体在外观上不变，只是关键部位的制作材料和制作工艺改变，轴托12使用负热膨胀系数材料制成。在制作过程中，阳极转子11被分成阳极靶111、阳极靶连接杆113和与旋转轴承两端衔接的U型结构112三个部分。其中，阳极靶连接杆113由与轴托12同类的负热膨胀系数材料制成。
负热膨胀系数材料的特征是，受热时会发生收缩。X射线管工作时，阳极靶111上会产生大量的热，这些热量会很快传导到阳极靶连接杆113，造成阳极靶连接杆113收缩。热量会进一步通过阳极靶连接杆113和旋转轴承14传导到轴托12，也可以通过热辐射到达轴托12，轴托12受热后会发生收缩。阳极靶连接杆113的收缩和轴托12的收缩，都会对阳极靶111受热膨胀造成的焦点漂移起到抑制左右。这些都是利用材料的受热收缩属性自然完成，不需要主动控制。选择适当的负热膨胀系数材料、材料长度以及与阳极靶的距离，材料受热产生的收缩与阳极靶热膨胀就可以互相抵消，从而达到稳定X射线焦点的目的。
在X射线管工作时，由于轴托12和阳极靶连接杆113采用负热膨胀系数材料制作而成，轴托12和阳极靶连接杆113与旋转阳极1的其它部分具有相反的膨胀系数，如果只是将轴托12及阳极靶连接杆113的端面简单焊接在一起，在温度变化时可能产生松动。为避免这种情况，在一个较佳实施例中，轴托12的一端(图2中轴托12的右端)悬空，另一端(图2中轴托12的左端)也即与旋转阳极相接触的一端设计成凸起端，该凸起端嵌入到旋转阳极1中。
同样地，阳极靶连接杆113的左、右两个端面均设计成凸起的形状，该左、右两个凸起端面紧密地嵌入到与阳极靶111和U型结构112相结合的部位中。结合图2可以看到，阳极靶连接杆113的一凸起端面(图2中阳极靶连接杆113的左端)嵌入U型结构112中，另一凸起端面(如图2中阳极靶连接杆113的右端)嵌入到阳极靶111中，从而连接着阳极靶111和U型结构112这样，阳极靶连接杆113的两端凸起部分紧密地嵌入到阳极靶111和U型结构中。较佳地，轴托12的凸起端和阳极靶连接杆113两端凸起的部分设置缓冲层，改缓冲层通过扩散注入方式实现材料组分的渐变，该材料组份渐变是指从正热膨胀系数连续过度到负热膨胀系数。通过这两种办法，实现阳极靶连接杆113的两端与阳极靶111及U型结构112的材料接合面的稳固结合。
为更好地控制轴托12的收缩，可以做轴托12外制作一个或多个轴托加热带13。轴托加热带13使用一般的电阻丝材料制作，其面积和电阻值根据材料随着温度伸缩的特性曲线来得到。轴托加热带13直接包覆在轴托12上，当给轴托加热带13通入电流使其发热后，就会造成轴托12的收缩，电流的大小由焦点当前位置相对理想位置的偏移量得到。
轴托加热带13的控制线通过X射线管外壳3上预留的穿孔引到X射线管外。加热带的控制回路由X射线探测器、数据分析装置和电子控制器组成。X射线探测器使用CT设备中既有的探测器，无需额外添加。数据分析装置实现计算当前焦点位置的功能，可以使用CT控制台计算机，也可以使用额外的芯片。电子控制器实现焦点实际位置和理想位置的比较功能，并把比较结果转化成相应的加热电流。
本发明还揭示了使用负热补偿X射线管阳极移动的方法，其具体步骤如下：
步骤1，进行一次X射线曝光，把从探测器上得到的曝光数据传输到数据分析装置，所述数据分析装置根据该曝光数据计算出X射线的当前焦点位置。
步骤2，将所述当前焦点位置发送到电子控制器，理想焦点位置预先被设置保存在电子控制器上，在一个较佳实施例中，将当前焦点位置和理想焦点位置相减，得到X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ。
步骤3，计算出X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ，将所述当前焦点位置和所述理想焦点位置相减，得到X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ。
步骤4，计算出使轴托收缩DZ距离所需的加热电流I。
步骤5，电子控制器将轴托加热带的电流调节到I，使轴托温度达到T，此时轴托收缩量就为DZ，轴托收缩DZ就带动阳极转子也移动DZ距离。
由此，在X射线焦点漂移了DZ的情况下，通过改变轴托加热带的电流，使阳极靶沿着反方向移动了DZ，这样焦点就回到了原位置，实现了对焦点移动的补偿。
以上是对本发明的描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和替换，均应落入本发明的权利要求确定的保护范围内。
Claims (10)
1.使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其包括：旋转阳极、阴极、X射线管外壳、定子线圈，其特征在于：所述旋转阳极包括：阳极转子、旋转轴承和由负热膨胀系数材料制成的轴托与轴托加热带，所述轴托与所述X射线管外壳形成在一起，为所述阳极转子提供转轴，所述阳极转子通过所述旋转轴承连接在所述轴托的外侧。
2.根据权利要求1所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述阳极转子包括：阳极靶，其形成在前端；U型结构，其两端与旋转轴承的两端相衔接；以及由负热膨胀系数材料制成的阳极靶连接杆，其连接着阳极靶和U型结构。
3.根据权利要求2所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，阳极靶、U型结构和连接着阳极靶和U型结构的阳极靶连接杆一体成型。
4.根据权利要求1所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，旋转阳极的轴托和轴托加热带使用负热膨胀系数材料制作，所述负热膨胀系数材料是锆钨酸盐，或者是其它负热膨胀系数材料。
5.根据权利要求2所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，阳极靶连接杆使用负热膨胀系数材料制成。
6.根据权利要求2所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，轴托具有一体连接的座部和杆部，杆部与座部相接触的一端具有凸起端，所述凸起端嵌入到所述座部中，另一端悬空；阳极靶连接杆的两个端面设计成左、右两个凸起端面，该左、右两个凸起端面紧密地嵌入到与阳极靶和U型结构相结合的部位中。
7.根据权利要求6所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，轴托的凸起端和阳极靶连接杆两端凸起的部分设置缓冲层，所述缓冲层通过扩散注入方式实现材料组分的渐变，该材料组分渐变是指从正热膨胀系数连续过度到负热膨胀系数。
8.根据权利要求1所述的使用负热膨胀系数材料补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，轴托加热带使用电阻丝材料制作，其面积和电阻值根据材料随着温度伸缩的特性曲线来得到。
9.使用负热膨胀系数材料补偿X射线管阳极移动的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，进行一次X射线曝光，把从探测器上得到的曝光数据传输到数据分析装置，所述数据分析装置根据该曝光数据计算出X射线的当前焦点位置；
步骤2，将所述当前焦点位置发送到电子控制器，理想焦点位置预先被设置保存在电子控制器上；
步骤3，计算出X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ，将所述当前焦点位置和所述理想焦点位置相减，得到X射线的当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ；
步骤4，计算出使轴托收缩DZ距离所需的加热电流I；
步骤5，电子控制器将轴托加热带的电流调节到I，使轴托温度达到T，此时轴托收缩量就为DZ，轴托收缩DZ就带动阳极转子也移动DZ距离。
10.根据权利要求9所述的使用负热膨胀系数材料补偿X射线管阳极移动的方法，其特征在于，在步骤4中，电子控制器根据轴托所使用的负热膨胀材料的性能曲线，计算出收缩DZ需要的温度T；再根据加热带的性能曲线，计算出使轴托达到温度T所需的加热电流I。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100176 1st floor, building 8, 11 Kangding street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Patentee after: Sinovision Technology (Beijing) Co.,Ltd. Address before: 100176 1st floor, No.13, Yongchang North Road, Yizhuang Economic Development Zone, Daxing District, Beijing Patentee before: SAINUO WEISHENG TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: X-ray tube using negative heat to compensate anode movement and its compensation method Effective date of registration: 20220608 Granted publication date: 20170322 Pledgee: Beijing first financing Company limited by guarantee Pledgor: Sinovision Technology (Beijing) Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007310 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230614 Granted publication date: 20170322 Pledgee: Beijing first financing Company limited by guarantee Pledgor: Sinovision Technology (Beijing) Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007310 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: X-ray tube using negative thermal compensation anode movement and compensation method Effective date of registration: 20230706 Granted publication date: 20170322 Pledgee: Beijing first financing Company limited by guarantee Pledgor: Sinovision Technology (Beijing) Co.,Ltd. Registration number: Y2023980047635 |