CN105810541B - X射线管阳极装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了X射线管阳极装置。具体地，提供了制造X射线管部件的方法，其包括使铑、钼或钨的阳极与钼、钨、或钼和/或钨的复合材料的散热器扩散结合或钎焊。用于扩散结合的合适的接头材料包括金；用于钎焊的合适的接头材料包括银与铜的合金，银、铜与钯的合金，金与铜的合金或者金、铜与镍的合金。所得的管部件提供可靠的行为并且该接头可承受高温、高的温度梯度、快速的温度变化、极高的辐射和极高的电场，同时维持良好的真空性质。

Description

X射线管阳极装置

发明领域

本发明涉及制作X射线管阳极装置的方法、所得的阳极装置和包括这样的阳极装置的X射线管。

发明背景

X射线管包括阳极。由阳极与阴极之间的电压降驱使的高能电子冲击阳极。高能电子的小部分的能量转化为X射线。必须通过冷却来除去剩余的能量。

可使用散热器进行该冷却。总体传热系数是重要的。因此，具有高热导率的散热器材料对于保持阳极温度尽可能地低是必要的。随着X射线管的功率提高，不能避免高温。然而，仍然有必要保持阳极温度低得足以防止阳极材料的升华或熔化。

因此X射线管中的阳极的环境可为非常严峻的－温度可为高的并且X射线强度也非常高。在该严峻的环境中维持良好的阳极功能是必要的。特别地，该严峻的环境不仅包括800℃或更高的高温，而且还包括高的温度梯度。

常规的散热器材料是铜或银，由于它们的高热导率而选择它们。然而，这样的材料可具有与阳极材料的热膨胀失配，这可导致高应力。

替代材料的选择不容易，因为仅仅选择另一种散热器材料是不充足的。还有必要以阳极保持牢固地连接且甚至在X射线管的有挑战性的环境中具有低热阻的方式来将阳极稳固地固定于散热器，并且固定阳极的合适方式先前尚未确定。因此，X射线管继续使用铜或银散热器。

发明内容

根据本发明，提供了制造X射线管装置的方法，其包括：提供铑、钼或钨的阳极；提供钼和/或钨的复合材料的散热器；将该阳极安装在该散热器上，在两者间具有接头材料层；和用该接头材料使该阳极与该散热器结合。

申请人发现以这种方式可以实现具有良好的散热性质的、也是高度可靠的X射线阳极装置。特别地，该阳极装置可承受高温、高的温度梯度、快速的温度变化、极高的辐射和极高的电场，同时维持良好的高真空性质。

该阳极装置可比采用常规银或铜散热器上的常规阳极明显更好地承受迅速的高电源开关。

注意术语“复合材料”可包括混合物或合金以及其它形式例如层合体。术语“合金”不旨在暗示铜和钼和/或钨溶解在彼此之中。

散热器可为钼与铜或者钨与铜的复合材料。

使该阳极与该散热器结合的步骤可包括使该阳极与该散热器扩散结合。接头材料可为金。

下面呈现的实验证实了采用这样的途径的优异结果。

接头材料可为5至200μm厚度的薄层。

作为扩散结合的替代，使该阳极与该散热器结合的步骤包括将该阳极钎焊至该散热器，即通过大于用于扩散结合的热将该接头材料软化。

用于钎焊的合适接头材料包括银与铜的合金，银、铜与钯的合金，金与铜的合金或者金、铜与镍的合金。

另一方面，本发明涉及X射线管阳极装置，其包含：

铑、钼或钨的阳极；

具有与该阳极匹配的热膨胀系数的钼和/或钨的复合材料的散热器；和

金、银、或者金或银的合金的接头层，该接头层使该阳极与该散热器结合。

这样的X射线管阳极装置可具有优异的可靠性并且能够高功率工作。

该接头层可为5至200μm厚度的金层。

作为替代，该接头层可为银与铜的合金，或者银、铜与钯的合金，金与铜的合金或者金、铜与镍的合金。

又一方面，本发明可涉及具有如上所讨论的X射线管阳极装置的X射线管。

附图简要描述

现在将参考附图描述本发明的实例，其中：

图1是穿过根据本发明的一个实施方案的X射线管阳极装置的横截面；

图2显示了根据对比例的X射线管阳极装置的有限元分析；

图3显示了根据一个实施方案的X射线管阳极装置的有限元分析；和

图4是根据本发明的一个实施方案的X射线管阳极装置中的接头的显微照片。

详细描述

参考图1，包括阳极2的X射线管阳极装置由安装在散热器4上的铑制得。在该散热器的背面上提供了冷却装置6、8。

该散热器4由钼与铜的合金制得，选择合金组成使得热膨胀系数匹配铑的热膨胀系数。

发明人测试了将阳极固定于散热器的多个不同的途径。使用金的扩散结合获得了良好结果。因此，在金的这种情况下，在阳极2与散热器4之间提供接头材料10的结合层以将阳极牢固地固定于散热器。

该接头材料层可具有5至200μm的厚度，在实施方案中10至100μm，例如50μm。

在该散热器的背面上提供耐腐蚀材料12的层以避免散热器4的腐蚀。耐腐蚀材料12例如可以为金。

通过一对同轴管6、8(外管6围绕内管8)形成冷却装置6、8。用散热器4上的耐腐蚀材料12封闭管的端部。冷却剂例如去离子水用于在冷却装置中输送热。

在使用中，在由箭头指示的方向沿着内管8泵送水，水随后流动横跨散热器4上的耐腐蚀材料12，在那里水从散热器4获取热并且沿着内管8与外管6之间的流动路径被除去。用于冷却剂的回路由泵、过滤器、热交换器和原料桶完成，其冷却水和使水再循环。

为了制造X射线管阳极装置，用阳极2与散热器4之间的接头材料10的片材形式的结合层将阳极与散热器联合在一起。随后通过在压力下加热但是没有加热到金熔化的温度，使阳极2与散热器4扩散结合。这产生了扩散结合。

在一个特定的实施方案中，在形成气体气氛中在700和950℃之间、例如800℃的温度下进行该扩散结合持续15分钟和200分钟之间，例如120分钟(两小时)。所使用的压力可为10巴至500巴，例如80巴；还可以使用更高的压力。在温度和时间之间存在权衡，并且例如可使用较高的温度持续较短的时间段。

进行了有限元分析以计算与连接至银散热器的相同阳极的对比例相比所得的阳极装置在使用中的塑性变形。参见图2和3中呈现的结果。附图显示变形－区域越深，那里变形越多。

参见图3，实施方案，观察到极少的塑性变形。这种阳极装置仅在阳极材料的表面中而不是在散热器中具有塑性变形。这对X射线管的寿命没有明显影响。

相比之下，参见图2，根据对比例的阳极装置不仅在阳极中而且还在散热器中具有塑性变形。这可相当地影响X射线管在使用中的寿命。

该阳极装置中的接头特别可承受：

850℃的高温；

100℃/mm的极端温度梯度；

100℃/s的快速温度变化；

10Sv/s的极高的辐射；和

15kV/mm的极高的电场。

此外，如在图4的显微照片中说明的穿过接头的截面显示与在钼和铜的复合材料上的50μm金层上的作为顶层的铑阳极的结合。所显示的结果是优异的结合，不含孔隙和裂纹并且在不同材料之间具有完整的接触。

用新的阳极结构制作样机X射线管并且在管失效之前这些样机X射线管能够承受是对比例的电源开关数目的2倍增加。本发明因此在改进的管寿命和性能方面提供了出乎预料地好的结果。

因此，发明人发现了如何可靠地结合铑、钼或钨的阳极以产生在X射线管的极端操作条件下的可靠接头。

在替代性的实施方案中，使用了不同的阳极材料，特别是阳极可为钼或钨。

作为扩散结合的替代，还可以使用钎焊。在这样的情况下，可使用铜银合金或钯铜银合金的金属层。分别作为“Cusil”或“Pacusil”这样的合金是可商购的。

在钎焊之前，用钎焊之前的薄镍层或金板涂覆阳极、散热器或两者可为有利的。

Claims (19)

1.制造X射线管部件的方法，其包括：

提供铑、钼或钨的阳极；

提供具有与该阳极匹配的热膨胀系数的钼和/或钨的复合材料的散热器；

将该阳极安装在该散热器上，在两者间具有接头材料层，该接头材料为金、银或者金或银的合金；

用该接头材料使该阳极与该散热器结合；

其中使该阳极与该散热器结合的步骤包括使该阳极与该散热器扩散结合。

2.根据权利要求1的方法，其中该接头材料是金。

3.根据权利要求1或2的方法，其中该接头材料是5至200μm厚度的薄层。

4.根据权利要求1的方法，其中使该阳极与该散热器结合的步骤包括将该阳极钎焊至该散热器。

5.根据权利要求4的方法，其中该接头材料是银与铜的合金，银、铜与钯的合金，金与铜的合金或者金、铜与镍的合金。

6.根据权利要求4的方法，其中该接头材料是银、铜与钯的合金。

7.根据权利要求1、2、4、5或6的方法，其中该散热器是钼和铜的复合材料或者钨和铜的复合材料。

8.根据权利要求3的方法，其中该散热器是钼和铜的复合材料或者钨和铜的复合材料。

9.X射线管部件，其包含：

铑、钼或钨的阳极；

具有与该阳极匹配的热膨胀系数的钼和/或钨的复合材料的散热器；和

金、银、或者金或银的合金的结合层，该结合层使该阳极与该散热器扩散结合。

10.根据权利要求9的X射线管部件，其中该结合层具有5至200μm厚度。

11.根据权利要求9或10的X射线管部件，其中该结合层是金。

12.根据权利要求9或10的X射线管部件，其中该结合层是银与铜的合金，银、铜与钯的合金，金与铜的合金或者金、铜与镍的合金。

13.根据权利要求9或10的X射线管部件，其中该散热器是钼和铜的复合材料或者钨和铜的复合材料。

14.根据权利要求11的X射线管部件，其中该散热器是钼和铜的复合材料或者钨和铜的复合材料。

15.根据权利要求12的X射线管部件，其中该散热器是钼和铜的复合材料或者钨和铜的复合材料。

16.X射线管，其包含根据权利要求9、10、14或15任一项的X射线管部件。

17.X射线管，其包含根据权利要求11的X射线管部件。

18.X射线管，其包含根据权利要求12的X射线管部件。

19.X射线管，其包含根据权利要求13的X射线管部件。