CN105229770A - 用于利用相变热交换的高亮度x射线管的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用相变材料对X射线管的阳极进行冷却的装置，该装置将热量从阳极转移走。X射线管与密封的热交换室相结合，该热交换室含有液体金属，作为由液体变蒸气的相变材料(L-V？PCM)。阳极的背面暴露于该热交换室的内部，在热交换室内的喷射式喷射器将液体金属喷射于受热的阳极的背面。L-C？PCM在该表面上蒸发，从而带走热量，然后蒸气在热交换室的冷表面上凝结成液体。热交换室的表面可以通过对流冷却进行冷却。任选地，热交换室内部可设有含有循环冷却液的管道。

Description

用于利用相变热交换的高亮度X射线管的冷却装置
技术领域
本发明涉及高亮度X射线源。具体地，本发明涉及用于高亮度X射线源的冷却装置。
背景技术
传统的X射线源产生X射线是通过利用电子束来激发阳极从而产生X射线发射。在这过程中，几乎所有的电子束的能量(比如99％)被转换为热量。对于目前的固定式微焦X射线管的阳极，1W/μm2的比功率密度和100W的总功率是典型的规格。在微焦X射线管中，被电子束(焦点)轰击的阳极区域的面积很小，在几十微米数量级上，以便获得在高分辨率X射线下成像的小的源尺寸。利用金属导热机理，产生的热量将传递在体积约1mm3的阳极上，但阳极的中心不被熔化。然而，仅靠在这种小体积的表面上的黑体辐射速率，不足以将功(率)辐射至由水或空气进行冷却的外部辐射吸收装置。热量传导至一个辐射更大的区域时，将不得不通过一个长的金属导热通道，而这个通道不能将大量的热量转移掉，而这些大量的热量会引起温度显著上升，导致能够熔化被电子束轰击的点。旋转阳极可以使热量分布在一个更大的区域，以避免熔化阳极。对于目前的旋转阳极，2x10-2W/μm2的比功率密度和10kW的总功率是典型规格。同样的原因，对于所需的X射线亮度，功率密度无法进一步提高。大多数传统设备采用液体对流的方法(包括液态金属和水)来冷却阳极。然而，液体对流热交换系数不够高，以至于不能将大量热量转移掉，而这些大量的热量会引起能够熔化被电子束轰击的点的温度显著上升。
发明内容
在本发明的实施例中，利用相变热交换装置，以提供与热阻抗相匹配的热转移，所述热阻抗是小的受热的金属阳极表面与大的黑体辐射或对流换热的表面之间的热阻抗。结果是，这些设计允许X射线光源的亮度大幅增加，同时显著提高X射线管的寿命。
在一些实施例中，利用喷射沸腾蒸发或薄膜蒸发的相变热交换方法，被用作热转移机制，以匹配被电子束加热的金属阳极的小区域与经辐射冷却或对流冷却的表面的大区域之间的热阻抗，而无需任何固体或液体连接。
按照本发明的目的，为了实现这些及其他优点，本发明提供一种X射线发生器，所述X射线发生器包括：一用于发射电子束的阴极；一阳极；用于聚焦和引导电子束到所述阳极上的对准和聚焦装置；密封的X射线管，用于包封所述阴极、所述阳极及所述对准和聚焦装置；与所述X射线管相连的封闭的热交换室，其中所述阳极或者构成所述热交换室器壁的一部分，或者与所述热交换室器壁的一部分为热接触状态；一金属，所述金属设置于所述热交换室中作为由液体转变为蒸气的相变材料；以及一输送装置，所述输送装置用于将所述金属的液体输送到所述热交换室器壁部分。
附图说明
图1示意性地显示了，在本发明的一个实施例中，带有冷却装置的X射线发生器系统。
图2示意性地显示了，在本发明的另一实施例中，带有冷却装置的X射线发生器系统。
图3示意性地显示了用于第一或第二实施例中的阳极。
具体实施方式
本发明的实施例提供了一种利用相变材料来冷却X射线管的阳极的装置，所述相变材料将热量从阳极的背面转移掉。由于在使用水或某些液态金属的喷射沸腾蒸发方法下和在使用液态金属的薄膜蒸发方法下，热交换通量可达到107W/m2，因此这些相变热交换方法可以用作热转移机制，以匹配被电子束加热的金属阳极的小区域与经辐射冷却或对流冷却的表面的大区域之间的热阻抗，而无需任何固体或液体连接。
图1示意性地显示了，在本发明的第一实施例中的X射线源，其中，使用相变热交换法对在X射线源中的阳极进行冷却。X射线源可以是微焦X射线管。阴极101发射电子束102，所述电子束被对准磁铁装置103所调准，并进一步由电磁装置(物镜)104聚焦在固定阳极105的小区域上。当电子束轰击阳极105时，阳极发射出从X射线管的X射线窗口106处离开的X射线106A，所有上述部件均包封在真空管(外壳)107内。阴极101和阳极105被连接于适当的电压(图中未显示)。
受到电子束轰击的阳极上的点和阳极附近的区域，会被加热到很高的温度(例如1000℃或更高)，并能够通过辐射散热。辐射能量能够穿透辐射透明外壳107而离开真空管。所述能量可由外部辐射吸收装置(未显示)来散热，而所述外部辐射吸收装置可进一步用对流方法进行冷却。
在本实施例中，为了提供更强的冷却，将真空管107与相变热交换室109相结合，其中阳极105安装在真空管和热交换室之间的共用器壁上，从而使得阳极的背面(侧)暴露于热交换室的内部。来自阳极105背面(侧)(即远离阴极的一侧)的热通量，通过相变机制被转移到热交换室109的更大的器壁表面上。为了实现这一点，位于热交换室109内的喷射式喷射器108将液体喷射流110A喷射于阳极105的受热点的背面，而液体在该表面上蒸发从而带走热量。然后蒸气在相变热交换室109的冷的内表面上冷却，冷凝后形成液体。冷凝物沿侧壁落至热交换室109的底部(如箭头所示)，积累的液体110被泵111循环至喷射式喷射器108。该泵111和相关的管道可以设置在热交换室109的内部或外部。
所述液体是经选择的、进行热交换且适用于高温应用的由液体转变为蒸气的相变材料(L-VPCM)。合适的材料包括金属，如钠(Na)、钾(K)、锡(Sn)等，及其合金。外壳109应保持密封，并且除了内部的L-VPCM之外无其他任何液体或气体。
用于喷射液体金属的喷射器是为人所知的，任何合适的喷射器可用于本实施例。使用喷射器可以确保将所需数量的液体金属输送到热表面。在图1的例子中，以阳极被设置为，其背面被水平放置在热交换室的顶部，而喷射器位于阳极背表面的下方。在另一个例子中，该阳极可以被设置成其背表面是垂直或近乎垂直的。在另一个例子中，阳极的背表面位于热交换室底部附近，并设有用于包含所述液态PCM的储存器，并将该液体泵送至位于阳极上方的喷射器。
此外，除了喷射器，也可以利用其他输送方式来将相变材料输送给阳极用于蒸发。例如，降膜(fallingflim)法可以被用来在阳极的背面形成液态金属的薄膜，当阳极背面被设置为垂直或近乎垂直时。
热交换室109外壳,可以用对流方式如强迫空气冷却等，从外部进行冷却(未在图中显示)。
图3更详细地显示了在一个实施例中阳极105的结构。阳极105是一片金属，其构成了位于在X射线管外壳和热交换室外壳之间的一部分共用器壁105A。为了加强从阳极的正面到背面的热转移，阳极在105A中被电子束轰击的附近区域要比器壁的其他部分薄，在这个实施例中，阳极本身形成了热交换室外壳的一部分。或者，如图3A所示，阳极105可以被安装在构成外壳一部分的金属板105A上，而液态PCM被喷射在板的背面。热量从阳极105被转移到板的背面105B，而液态金属被喷射到该背面。图3A中的结构一种变化形式是阳极105被安装在板105B的凹槽处。
图2示意性地显示了，在本发明的第二实施例中的X射线源。该系统与图1中所示的第一个实施例相似，不同点在于：在外壳209内包封了额外的热交换管系统。相同的组件用相同的数字标记：阴极201，电子束202，对准磁铁装置203，电磁铁装置(物镜)204，阳极205，X射线206A，真空管(外壳)207，喷射式喷射器208，热交换室209，L-VPCM210，PCM液体喷射流210A，和泵211，它们执行的功能与图1的实施例中对应的组件所执行的功能是相同的。
热交换管212设有流体入口213和出口214，而冷却液体(如水)在管中循环。管的表面提供额外的冷却表面，以用来凝结热交换室209内的L-VPCM的蒸气，而热量被冷却液体带走。
综上所述，因为在操作过程中X射线管的阳极变得非常热，因此金属可以用作由液体变为蒸气的相变材料，从而将热量从阳极转移到一个更大的冷却表面。喷射器可用于将液体金属喷射在阳极的背面，而在此背面上液体金属被蒸发。该系统可以有效地将热量从小面积的阳极背面移走。
对于本领域技术人员而言，显然可以在不背离本发明的精神或范围情况下，对本发明的X射线发生器结构和相关方法进行各种不同的改动或修改。因此，应理解，本发明覆盖了这些改动或修改形式，它们同样落于本申请所附权利要求书及其等同形式所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种X射线发生器，其特征在于，所述X射线发生器包括：
一用于发射电子束的阴极；
一阳极；
用于聚焦和引导电子束到所述阳极上的对准和聚焦装置；
密封的X射线管，用于包封所述阴极、所述阳极及所述对准和聚焦装置；
与所述X射线管相连的封闭的热交换室，其中所述阳极或者构成所述热交换室器壁的一部分，或者与所述热交换室器壁的一部分为热接触状态；
一金属，所述金属设置于所述热交换室中作为由液体转变为蒸气的相变材料；以及
一输送装置，所述输送装置用于将所述金属的液体输送到所述热交换室器壁部分。
2.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述输送装置包括设置在所述热交换室中的喷射器，所述喷射器用于将所述金属液体喷射于所述热交换室器壁部分。
3.根据权利要求2所述的X射线发生器，其特征在于，所述输送装置还包括泵，所述泵用于将所述液体输送至所述喷射器。
4.根据权利要求2所述的X射线发生器，其特征在于，所述热交换室器壁部分水平设置于所述热交换室的顶部，并且所述喷射器位于所述部分的下方。
5.根据权利要求2所述的X射线发生器，其特征在于，所述热交换室器壁部分是垂直放置的。
6.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述热交换室器壁部分被设置为基本垂直，并且所述输送装置在该部分上面形成了液体金属的降膜。
7.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述X射线发生器还包括设置于所述热交换室中且连接于流体入口和流体出口的热交换管，所述热交换管用于使冷却液体在管内流动。
8.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述金属选自下组：钠(Na)、钾(K)、锡(Sn)和它们的合金。
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