CN1069438C - X射线管阳极及其制造方法与静止阳极x射线管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于静止阳极X射线管的阳极及其制造方法，并涉及静止阳极X射线管。由铜等构成的阳极基座包括形成于端面并且带有呈向上扩张形状内侧壁的凹口，凹口的倾角θ在30度与90度之间。利用化学气相淀积在凹口内直接嵌有诸如钨之类的阳极靶材料。

Description

X射线管阳极及其制造方法与静止阳极X射线管

本发明涉及带有静止阳极的X射线管(以下称为静止阳极X射线管)，尤其涉及用于静止阳极X射线管内的阳极及其制造方法，并涉及静止阳极X射线管。

静止阳极X射线管与旋转阳极X射线管相比，没有阳极旋转装置，因此体积小而热容量相对较大。通常，X射线管用于诸如X射线照相诊断之类的医学目的。但在外科手术中，由于其体积小和重量轻而便于运送，所以使用的是静止阳极X射线管。

为了产生X射线，需要向靶输送电能，但是只有1％的电能转换成X射线能量。剩余的99％转换为无用的热量而使靶温显著上升。通常，静止阳极X射线管的阳极包括一导热性能良好的圆柱状铜质阳极基座和嵌入阳极基座一端倾斜面平内的圆盘状阳极靶。

以前曾用两种方法制造这类阳极。它们是“模铸法”和“钎焊法”。图1表示用模铸法制造的阳极的截面。图2表示用钎焊法制造的阳极的截面。

在铸模法中，由钼(Mo)或钨(W)构成的阳极靶2放入阳极基座形成坩埚的顶部。随后，把熔融的铜浇入坩埚内形成阳极基座1。用这种方法，将靶2与基座1结合在一起成为一个整体。

在钎焊法中，预先制备好在其斜面上开有凹口3以容纳阳极靶2的阳极基座1。随后，在凹口3的上表面敷上一层合适的焊剂4，并将靶2嵌入凹口3中。接着加热阳极使靶2通过焊剂4与基座1连接起来。

上述这些常规方法具有如下的缺点。

在模铸法中，构成阳极基座1的铜在炉子等设备内高频加热至熔点以上。该过程耗能巨大而导致成本较高。而且，该方法需要使用形成阳极基座1的坩埚等设备，而这些设备的使用寿命较短，所以也增加了制造阳极基座的成本。此外，该方法最大的缺点是基座1与靶2之间的结合不牢固而且不稳定，因而热传导不好。这归因于由铜构成的基座1与由高熔点金属(例如钨)构成的靶2相互间较差的金属一金属适应性。也就是铜和钨从根本上讲浸润性较低，因而组合在一起时无法形成合金层。在以这种条件制备的X射线管中，较微的过载就会引起靶表面的开裂或熔化，在极端情况下会引起靶的剥离。

在钎焊法中，钎焊时靶2与基座1之间会形成气泡。这些气泡是在重复负荷的热应力下引起靶剥离或者在热传导降低时引起靶表面开裂或熔化的主要原因。而且，从根据上讲焊剂的熔点决定了阳极的最高使用温度，因而决定了临界使用温度低于靶2与基座1直接结合在一起的温度。此外，靶2与基座1之间缝隙内混入的杂质或这些缝隙内的电场集中使耐压较小。

本发明的目标是提供克服上述缺点的X射线管阳极及其制造方法与静止阳极X射线管。

作为本发明的一个方面，通过在静止阳极X射线管中采用下面这种阳极达到了上述目标，该阳极包含：

带有形成于其端面内并且其四周内壁向上倾斜的凹口的阳极基座；以及

利用化学气相淀积(CVD)把阳极靶材料直接嵌入凹口而形成的阳极靶，

其中所述呈向上扩张形状内侧壁的倾角θ至少为30°但小于90°。

按照本发明，利用化学气相淀积把阳极靶材料直接嵌入形成于阳极基座端面内的凹口而做成阳极靶。这样做成的靶与阳极基座附着得很牢。因此改善了阳极基座与靶之间的热传导，并且在较高的热负荷下靶仍然非常耐用。

在如图1和图2所示采用普通“模铸法”或“钎焊法”制备的X射线管阳极中，阳极基座1的端面上一定要开有嵌入阳极靶2的凹口(这是必不可少的)。但是，对于按照本发明的方法(即化学气相淀积)形成的阳极靶，并非一定要在阳极基座端面内形成一个凹口。其原因在于可以通过在阳极基座整个平整的端面上淀积阳极靶材料而形成阳极靶。但是，，按照本发明，出于以下原因，要在阳极基座端面内形成凹口并利用化学气相淀积在凹口内形成阳极靶。

第一个原因是阳极靶能做得相对厚一些。也就是说，用于静止阳极X射线管的阳极靶需要做得比用于旋转阳极X射线管的厚些。例如，旋转阳极靶的厚度在200-300μm，而静止阳极靶的厚度约为0.5-3mm。遭受阴极发射热离子轰击的旋转阳极靶的位置(焦点)能够随着靶的旋转而移动。对于静止阳极靶，焦点不会移动，因而要求靶自身的热容量较大。基于这个原因，需要增加静止阳极靶的厚度。如果利用化学气相淀积将阳极靶材料淀积到阳极基座平坦端面上而形成厚靶，则耗时较多并使生产率大大下降。为了保证较高的生产效率，按照本发明，在阳极基座端面上形成一凹口以使阳极靶材料有效地淀积。也就是说，使得化学气相淀积期间输送的靶材料反应气体留在阳极基座端面上形成的凹口内。因此，在凹口内阳极靶材料的淀积速率比在其他平坦区域的淀积速率快些，从而在凹口内有效地形成阳极靶。

第二个原因是方便了将阳极靶材料淀积到阳极基座端面上后的加工过程。当利用化学气相淀积在阳极基座端面的凹口内形成阳极靶的时候，在除凹口以外的端面区域也淀积了一薄层阳极靶材料。X射线管的使用或制造期间的高温可能会使这层薄靶部分脱落，从而导致X射线管发生故障。因此必需在阳极靶材料淀积到阳极基座端面上后擦去这层薄靶部分。按照本发明，利用抛光机等对阳极基座端面进行抛光以便于去除凹口以外的端面其它区域内淀积的阳极靶材料。与此同时，完全在凹口内形成的阳极靶并未被擦去很多。

第三个原因是提高了阳极靶与阳极基座间的热传导。这里，阳极靶形成于阳极基座凹口内，与阳极靶形成于阳极基座平坦端面的情形相比，这样做保证了阳极靶与阳极基座之间具有较大的接触面积从而增加了热传导。

按照本发明，基于以下理由，基座端面上凹口的内侧壁呈向上的扩张的形状。

如果凹口的内侧壁垂直于底面延伸或者向上缩小从而伸出于底面之上，那么在利用化学气相淀积法在凹口内淀积阳极靶材料时没有足够的反应气体流入底面角顶。因此，角顶处没有淀积上阳极靶材料，而是留下了空隙(缝隙)。这种存在于阳极靶与阳极基座之间的缝隙不利于热传导，并且会在使用X射线管或电场集中时引起阳极靶的开裂，从而降低了耐压。而且，在化学气相淀积期间，阳极靶材料开始沿垂直于凹口底面与内侧壁的方向积聚起来。随着积聚过程的进行，阳极靶材料垂直向上延展。因此，在凹口底面的角顶处形成锐角，在介于沿垂直内侧壁方向生长的阳极靶材料部分与底面之间的角顶附近发生干扰。这种干扰会引起凹口底面角顶附近阳极靶结晶过程的紊乱。这种结晶过程的紊乱造成阳极靶的开裂和剥离。

因此，按照本发明，凹口的内侧壁呈向上扩张形状以使阳极靶沉积在凹口内。这种结构防止阳极靶与阳极基座之间留有空隙，从而使形成的阳极靶具有极好的晶体结构。

比较好的做法是，呈向上扩张形状的内侧壁的倾角至少为30°但小于90°。如果倾角为30°-70°则更好。如果倾角等于或大于90°，那么如上所述，在淀积靶材料时，凹口的底面角顶处形成锐角或接近于锐角从而在角顶处产生空隙。如果内侧壁的倾角小于30°，则凹口边缘附近阳极靶太薄。当施加强的热负荷或受X射线管制造过程中焊接玻璃密封可伐时(加热到800-850°)因阳极基座(例如铜)与构成阳极靶的高熔点金属之间热膨胀系数不同而引起的热应力的作用时，靶的这些薄的边缘部分很容易开裂或剥离。

按照本发明，比较好做法的是阳极基座由热传导性能好的铜构成，而阳极靶材料则为诸如钨(W)、钼(Mo)、钨钼合金、钨铼(Re)合金或钼铼合金之类高熔点金属。

本发明的另一个方面是提供制造X射线管阳极的过程，它包含以下步骤：

在其端面上形成有内侧壁呈向上扩张形状的凹口的阳极基座的外侧壁上覆盖一层掩蔽材料；

利用化学气相淀积直接在端面上淀积阳极靶材料；以及

通过对嵌有阳极靶材料的端面进行机械抛光成形以去除凹口以外端面区域的阳极靶。

按照本发明，在阳极基座外侧壁覆盖掩蔽材料，而利用化学气相淀积法淀积阳极靶材料。因此，阳极基座外侧壁上没有附着阳极靶材料，从而减轻了后面的机械加工工作量。在阳极基座端面淀积阳极靶后，对端面进行机械抛光以去除不需要的阳极靶材料，只留下形成于凹口内的阳极靶部分。

在上述方法中，比较好做法的是掩蔽材料含有与构成阳极基座一致的金属材料。当暴露阳极靶材料化学气相淀积的热气氛时，掩蔽材料很容易与阳极基座外侧壁结合在一起，其间很少或不留下空隙。这有效地避免了阳极靶材料附着在阳极基座的外侧壁上。例如，如果基座材料为铜，则掩蔽材料用铜箔就比较好。

比较好的做法是，当加工与所述阳极基座所述端面相对一端的根部之前先在所述端面上形成所述凹口，根部加工时以形成于凹口内的阳极靶表面作为尺寸参照。按照本方法，当阳极基座端面上形成阳极靶后，以阳极靶表面作为参照加工根部。这样，可以高度精确地定出靶表面到根部的长度。如果在淀积阳极靶材料之前加工阳极基座的根部，则阳极靶的厚度差异就会影响靶表面到根部的长度。该尺寸精度影响着安装有阳极的X射线管焦点位置的精度。因此，按照本发明以高精度定出靶面到阳极基座根部尺寸的方法在实际应用中效果比较好。

本发明又一方面是提供的静止阳极X射线管，它包含：

发射热离子的阴极；

受热离子轰击时产生X射线的静止阳极；以及

包含阳极和阳极的真空泡。

其中，阳极包括在其端面上形成有内侧壁呈向上扩张形状的凹口的阳极基座和采用化学气相淀积直接将阳极靶材料嵌在凹口内而形成的阳极靶，并且所述呈向上扩张形状内侧壁的倾角θ至少为30°但小于90°。

为了阐述本发明，在附图中示出了几种目前较佳的实施方式，但是本发明并不局限于所示的这些精确安排和方法。

图1为采用已有的模铸方法制造的X射线管阳极的局部剖面图；

图2为采用已有的钎焊方法制造的X射线管阳极的局部剖面图；

图3为表示按照本发明的静止阳极X射线管外形的剖面图；

图4为按照本发明的X射线管阳极的剖面图；

图5为本发明一个不同实施例中X射线管阳极的局部剖面图；

图6A-6F为按照本发明的阳极制造方法示意图；

图7为本发明所采用的化学气相淀积(CVD)方法的示意图；以及

图8为表示本发明提供的阳极靶与阳极基座之间界面特性的示意图。

以下将借助附图详述本发明的较佳实施例。

由图3可见，静止阳极X射线管包括发射热离子的阴极10、与阴极10相对并在热离子轰击下产生X射线的静止阳极20和容纳阴极10与阳极20的真空玻璃泡30。阴极10带有一根或多根通电时发射热离子的灯丝11。

作为构成本发明主题的阳极20包括接近圆柱状的阳极基座21和利用化学气相淀积(CVD)直接淀积在相对于阴极10的基座21的倾斜端面上的阳极靶22。阳极20在密封状态下通过金属元件31(例如可伐元件)与真空泡30内远离形成有靶22的倾斜端面的根部钎焊而安装。冷却装置32附着于阳极20的根部。阴极10带有与其相连的电缆33以向一根灯丝或多根灯丝11供电。

下面借助图4详述阳极20。

阳极基座21由诸如铜之类高导热性的金属构成。在阳极基座21倾斜端面上开一俯视时为圆状的凹口23。靶22由CVD直接嵌在凹口23内。凹口23的深度为4mm左右，基本上等于靶22的厚度。凹口带有呈向上扩张形状的内侧壁23a。扩张形状的壁23a的倾角θ大于等于30°而小于90°，比较好的是在30°-70°的范围内。如前面所述，如果倾角θ等于或大于90°，则在利用CVD形成靶22时输送的反应气体无法畅通地流至凹口23底面的角顶处。这样就在角顶处形成空隙，或者使凹口23底面的角顶附近淀积的靶22部分在结晶过程中引起紊乱。如果倾角θ小于30°，则靶22的周边部分太薄。当因使用X射线管而施加强热负荷或因制造X射线管而在钎焊步骤中加热时，靶22的这种薄的周边部分很容易开裂。

呈扩张形状的内侧壁23a不一定如图4所示为直线状倾斜表面，而可以加工为如图5所示的圆弧状倾斜表面。

采用高熔点金属作为利用CVD形成的阳极靶22的材料。比较好的材料是钨、钼、钨钼合金、钨铼合金或钼铼合金。

远离形成有靶22的倾斜端面的基座21根部上设有将冷却装置32连接到阳极基座21上的螺纹孔24(见图3)。

接下来将描述具有上述结构的静止阳极X射线管的阳极20的制造方法。

把如图6A所示的用作阳极基座21的圆柱状铜坯21a加工为图6B所示的成形坯料21b。成形坯料21b具有阳极基座21的倾斜端面和凹口23，但基座21的末端还未加工。在本例中，凹口23内侧壁23a的倾角设定为45°。

随后，如图6C所示，在成形坯料21b的外侧壁上覆盖铜箔25作为掩蔽材料。掩蔽用的铜箔25的成形方法根据生产量大小有所不同。对于小批量的情况，铜箔25可以方便地采用切割工具成形。对于大批量的情况，可以采用模压方法成形。铜箔25用铜线捆绑住。当然可以多次使用夹具将铜箔25夹住并固定在周边位置。但是，会有部分靶材料和铜箔附着在夹具上因而限制了其使用寿命。比较好的办法是用诸如铜线之类便宜而可任意处理的材料来固定铜箔。

比较好的做法是如同在本实施例中那样，掩蔽材料是与阳极基座21相同的金属。但是，也可以用不锈钢箔片或氟树脂薄片代替。铜箔片25的厚度最好是在30-100μm范围内。如果铜箔片25的厚度小于30μm，就会在利用CVD淀积靶材料后很难将铜箔片25从阳极基座21上分离下来。如果铜箔片25厚度超过100μm，则很难不留空隙地将其缠绕到阳极基座21上。

当成形坯料21b的外侧壁覆盖了铜箔片25后，如图7所示，把成形坯料21b放入CVD装置的反应管41内。反应管41安装有支撑成形坯料21b的加热器42和延伸进来的反应气体供给管道43a和43b。这里阳极靶由钨构成，所以氟化钨(WF₆)气体和氢气(H₂)混合物经过供给管道43a和43b输入。因此，通过在热气氛下钨的氟化物被氢气还原将钨(W)淀积在每个成形坯料21b的倾斜端面上。淀积条件例如温度为300-800℃，氟化钨供给速率为300cc/分，氢气供给速率为300-1000cc/分，以及总压力为0.5-760乇。

由于凹口23形成于成形坯料21b的倾斜端面上，所以凹口23内的钨层(阳极靶)比倾斜端面其它区域的淀积得更快(即更厚)。这是因为供给反应管41内的反应气体(WF₆和H₂)在凹口内逗留的时间相对较长。而且，由于凹口23的内侧壁是倾斜的(呈45°)，所以同样也使钨层可靠地沉积在凹口23的内侧壁上。CVD过程中产生的热量使得覆盖在阳极基座21外侧面的铜箔紧包住阳极基座21，消除了它们之间的空隙。因此，阳极基座21的外侧面上没有形成钨层。图6D表示钨层(阳极靶22)是如何淀积到成形坯料21b的倾斜端面上的。

当形成钨层后，成形坯料21b在CVD装置的反应管41内冷却到可以将其从反应管41中移出的温度。在与成形坯料21b的外侧壁紧密接触的铜箔片25上也形成了一定量的钨层。由于钨层与成形坯料(铜)21b之间热膨胀系数的不同，沿某一方向作用的力使得在形成钨层后的冷却过程中铜箔片25与成形坯料21b分离开来。因此，冷却后很容易把铜箔片25分离。但是，如果铜箔片25太薄，则箔片25牢牢地贴附在成形坯料21b上而较难剥离。

当从成形坯料21b的外侧壁上分离下铜箔片25后，如图6E所示对成形坯料21b的倾斜端面进行机械抛光以去除淀积在倾斜端面上凹口23以外区域的钨层。钨层的这些部分较薄，如果让它们残留在这些区域内，则由于X射线管制造过程中较高钎焊温度或使用过程中强热负荷的影响，它们容易开裂或脱落。

在处理完成形坯料21b的倾斜端面后，以凹口23处的阳极靶表面为尺寸基准加工成形坯料21b(阳极基座21)的根部(如图6F所示)从而完成了阳极20的整个加工过程。通过在如上所述的最后一个步骤中加工阳极基座21的根部，可以吸收和调整阳极靶22厚度的任何变化。

这改善了从靶22表面到根部的长度L(图4)的精度，即X射线管的焦点位置的精度。如果在利用CVD形成阳极靶22之前加工阳极基座21的根部，就需要对厚度小于预设定值靶22再一次淀积靶材料以保证从靶面到根部的长度符合标准。

图8表示对由上述方法获得的钨(阳极靶22)与铜(阳极基板21)之间分界平面拍摄的扫描电子显微镜(SEM)照片以及界面的元素分析(电子显微镜照相(EPMA)分析)结果。由图可见，本发明的方法提供了钨与铜之间极佳的接合，界面之间没有空隙。而且，在分界平面处也没有影响热传导性能和长期使用可靠性的杂质元素。

为了确认本发明的有效性，进行了一次测试，其中，将由上面CVD方法和已知的模铸法制备的阳极分别封装入X射线管。

作为测试条件，假设X射线透射术中输入时间较长(在X射线下暴露1分钟)，并对阳极靶22焦点位置处的钨开始熔化时的最大负荷输入进行比较。由测试获得的结果如下：

                    最大负荷输入(1)由CVD获得的X射线管A:70KV-6.2mA(434W)由CVD获得的X射线管B:71KV-6.0mA(426W)由CVD获得的X射线管C:70KV-5.8mA(406W)(2)由模铸法获得的X射线管：72KV-5.0mA(360W)

由上述结果可见，按照本发明的X射线管A、B和C的平均最大负荷输入为422W。超过了已有的X射线管最大负荷输入的17％。另外也比较了短时间最大功率(X射线成像术的条件)，但两种X射线管之间没有发现差异。

如上所述，按照本发明的静止阳极X射线管增加了X射线荧光检查的输入以相应改善照相图像质量。这种静止阳极X射线管还可用于同样需要高输出的例如660W和20秒的大剂量X射线荧光检查和简单的数字减法血管造影(DSA)。

本发明可以在不偏离其精神或本质特征的前提下以其它特殊形式实施，因此应由所附权项而非前面的说明来限定本发明的范围。

Claims (12)

1．一种用于静止阳极X射线管的阳极，包括：

其端面上开有内侧壁呈向上扩张形状的凹口的阳极基座；以及

通过化学气相淀积将阳极靶材料直接嵌在所述凹口内而形成的阳极靶，

其特征在于所述呈向上扩张形状的内侧壁的倾角θ至少为30°但小于90°。

2．一种如权利要求1所述的阳极，其特征在于，所述阳极基座由铜构成。

3．一种如权利要求2所述的阳极，其特征在于，所述阳极靶材料为钨。

4．一种如权利要求2所述的阳极，其特征在于，所述阳极靶材料为钼。

5．一种如权利要求2所述的阳极，其特征在于，所述阳极靶材料为钨钼合金。

6．一种如权利要求2所述的阳极，其特征在于，所述阳极靶材料为钨铼合金。

7．一种如权利要求2所述的阳极，其特征在于，所述阳极靶材料为钼铼合金。

8．一种用于制造如权利要求1所述的静止阳极X射线管的阳极的方法，其特征在于包含以下步骤：

在端面上形成有内侧壁呈向上扩张形状的凹口的阳极基座的外侧壁上覆盖一层掩蔽材料，其中所述呈向上扩张形状的内侧壁的倾角θ至少为30°但小于90°；

利用化学气相淀积直接在所述端面上沉积阳极靶材料；以及

通过对嵌有阳极靶材料的所述端面进行机械抛光而成形以去除所述凹口以外所述端面区域的阳极靶。

9．一种如权利要求8所述的方法，其特征在于所述掩蔽材料包括与用于构成所述阳极基座相同的金属材料。

10．一种如权利要求9所述的方法，其特征在于所述阳极基座和所述掩蔽材料都由铜构成。

11．一种如权利要求8所述的方法，其特征在于当加工与所述阳极基座所述端面相对一端的根部之前先在所述端面上形成所述凹口，在加工所述根部时以形成于所述凹口内的阳极靶面作尺寸参照。

12．一种静止阳极X射线管，包含：

发射热离子的阴极；

当受到所述热离子轰击时产生X射线的静止阳极；以及

容纳所述阴极和所述阳极的真空泡；

其特征在于，所述阳极包括在其端面上形成有内侧壁呈向上扩张形状的凹口的阳极基座和利用化学气相淀积将阳极靶材料直接嵌在所述凹口内而形成的阳极靶，并且所述呈向上扩张形状的内侧壁的倾角θ至少为30°但小于90°。

Images