CN1079843A - 旋转阳极x射线管 - Google Patents

Abstract

一种旋转阳极X射线管，其动压滑动轴承采用 廉价、可加工性好的材料，不会被液态金属润滑剂侵 蚀，能长期保持稳定旋转特性。旋转阳极X射线管， 具有旋转体、固定体、螺纹槽滑动轴承及液态金属润 滑剂。旋转体由与阳极靶结合的第1旋转部件和设 有轴承的第2旋转部件共轴配合构成，两者在热传导 路径上远离阳极靶的位置上相结合，在其它配合部分 隔有绝热区，第1旋转部件由导热系数小的材料构 成。

Description

本发明涉及旋转阳极χ射线管，尤其涉及支撑阳极靶的旋转机构。

众所周知，旋转阳极χ射线管的圆盘状阳极靶是由相互之间用装有轴承的旋转体和固定体支承着，当设置在真空管外面的电磁线圈通电后，高速旋转的阴极发射电子束，该电子束碰撞到阳极靶上，使发射出χ射线。长期以来所使用的轴承是球轴承，但近来都喜欢采用在轴承面上做成螺旋槽，同时用镓（Ga）或镓-铟-锡（Ga-In-Sn）合金类的液态金属作润滑剂的动压滑动轴承。使用后者滑动轴承的例子有特公昭60-21463号、特开昭60-97536号、特开昭60-117531号、特开昭61-2914号、以及特开昭60-287555号等各件公报中公开发表的χ射线管。

支承阳极靶旋转体的结构，通常具有采用钎焊方法与由电导率高的铜制成的外层圆筒转子焊接成一个整体的靶极支撑件。由设在管外的定子形成的旋转磁场作用在该转子上，是一种采用感应电动机的原理，产生高速旋转的结构。在使用球轴承的χ射线管中，当轴 承的温度上升时，由于轴承间隙的变化或固体润滑剂的消耗，产生很大的噪声。以往，提出了各种抑制球轴承的温度上升的方案。作为这种方案的例子，有特开照55-3180号、特开昭55-78449号、以及特开平2-144836号公报中公开发表的方法。但是，这种方法还未达到实用的程度。

可是，使用上述动压滑动轴承的χ射线管，其特点是几乎不产生旋转噪声。另一方面，以装有χ射线管的χ射线诊断装置为例，在0℃以下严寒环境下使用的场合也不少。因此，润滑剂最好是尽量使用熔点低的材料。Ga合金的蒸气压低，而且能制成熔点在10℃左右的合金，因此最为适合。

在使用Ga合金一类的液态润滑剂时，有下述不适当的地方。即这些液态金属润滑剂通常是活性材料，因此会与构成轴承的材料产生反应，使轴承的间隙逐渐变化，造成旋转特性的恶化。因此，能够用作构成轴承的材料，便被局限在不会被润滑剂侵蚀的钨（W）、锰（MO）、钼（Ta）、铌（Nb）、以及其合金。这些材料不仅价格高，而且加工困难。与此相反，铜（Cu）或黄铜、铁（Fe）、镍（Ni）、以及不锈钢之类的铁合金，虽然价格低，可加工性也好，但非常容易被润滑剂侵蚀，所以没有实用性。液态金属润滑剂与构成轴承的材料之间的反应，温度越高越显著。为了防止轴承的结构材料被润滑剂侵蚀，已知有这样一种结构，即将冷却剂输送到轴承结构部件内部，使轴承部件强制冷却。然而，在这种χ射线管中，必须附加冷却剂循环装置，使得χ射 线装置复杂化，这是所不希望的。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供这样一种旋转阳极χ射线管，其动压滑动轴承的结构材料采用铁合金类价格低，可加工性好的材料，而且不会受液态金属润滑剂侵蚀，能够长期保持稳定旋转的特性。

本发明的旋转阳极χ射线管具有在其一个部件上固定着阳极靶的旋转体。以及与该旋转体配合，从而能够保持该旋转体、使其旋转的固定体、在上述旋转体和固定体的配合部件上装有带旋转槽的滑动轴、以及供给上述滑动轴的螺旋槽及轴承间隙的液态金属润滑剂。在上述旋转体中，包括与上述阳极靶采用机械方式结合的第1旋转部件和设有上述轴承的第2旋转部件，两者采用共轴配合。沿着转轴方向看，第1旋转部件和第2旋转部件与靶阴极的结合位置使其与阳极靶在热传导路径上相距较远。同时在该结合部件以外的配合部件上设有绝热区。而且上述第1旋转部件是用在0℃-500℃温度范围内的导热系数小于0.1（卡/厘米·秒·度）的材料构成的。

再者，第1旋转部件材料在0-500℃的温度范围内的导热系数在0.08（卡/厘米·秒·度）以下则更好。

而且，第2旋转部件最好是由下述材料制成，即由含碳的铁、镍合金;以铁和镍为主体的合金;以铁、镍和钴为主体的合金;以铁和铬为主体的合金;以及铬和镍为主体的合金;或者由除了含碳以外至少还含有钒、锰、钨中任选一种的铁铬合金制成的。

如果采用本发明，在工作过程中肯定能够抑制动压滑动轴承的构成部件及供给它的液态金属润滑剂的温度上升，并且几乎不产生润滑剂对轴承构成部件的侵蚀作用。因此能获得价格便宜、经过高精度加工、且能长期保持稳定的高性能轴承旋转特性的旋转阳极χ射线管。

图1是表示本发明的实施例的主要部分的纵剖面图。

图2是图1中的2-2横部面图。

图3是图1中的χ射线管的一部分的俯视图。

图4是图1中的χ射线管的一部分的俯视图。

图5是表示本发明的另一实施例的主要部件的纵剖面图。

图6是表示本发明的另一实施例的主要部件的纵断面图。

图7是表示本发明的另一实施例的主要部件的纵剖面图。

图8是表示本发明的另一实施例的主要部件的纵剖面图。

图中：11……阳极靶

12……旋转体

15……固定体

18……真空容器

20a、20b、20c……轴承

22、32……第1旋转部件

23、34……第2旋转部件

24……外侧圆筒

26、29……绝热区

下面参照附图说明本发明的实施例。图中的同一部分用同一符号表示。图1至图4所示的实施例的结构如下。即，将重金属制成的圆盘状阳极靶11，用固定螺钉14固定在轴13上。轴从圆筒旋转体12的一端、外伸是由MO合金制成的，用来支撑阳极靶，使两者结合成一个整体。在圆筒旋转体12的内侧，将固定体15插入配合，将封闭开口用的圆板16固定在旋转体的下端。固定全15的下端部分17，通过辅助金属环17a及薄壁封环18b、18c，与真空容器18的玻璃圆筒部分气密结合。真空容器18环绕包围阳极靶11在容器的一端有一个大直径端及χ射线发射空18a。在靶极的对面设有阴极结构体19。在圆筒旋转体12和固定体15的配合部分，设有前面所述各公报中所述的动压式径向滑动轴承20a及止推滑动轴承20b。两个径向滑动轴承20a沿转轴方向设置两者之间彼此分离，在固定体周向的外表面15a上设有两组人字形螺纹槽21a。另外，在固定体面向两个止推滑动轴承20b的一个端面15b上设有如图3所示的圆弧形人字螺纹槽21b。在止推滑动轴承20b面对固定体的下部台阶面相邻接的圆盘法壮16的上表面上，设有如图4所示的圆弧形人字螺纹槽21c。与设有这些螺纹槽的轴承面邻接的旋转体的各滑动轴承面，只要是平滑面即可，或者根据需要，也可以设螺纹槽。旋转体和固定体的两个轴承面在工作过程中要保持大约20μm的轴承间隙，由Ga-In-Sn合金配成的液态金属润滑剂（图中未示出）在工作时被 输送到螺纹槽及轴承间隙中。在真空容器18的外面与旋转体12相对应的位置上，设置带有电磁线圈的定子30，使其产生旋转磁场，从而使旋转阳极靶11沿箭头P的方向高速旋转。从阴极构件19发出的电子束射到阳极靶11上，从而产生χ射线，同时该靶极上产生的热量，大部分以辐射方式逸散，同时有一部分热量沿轴13及旋转体12传导，由此传导到轴承20a、20b上。

可是，旋转体12与第1旋转部件（即阳靶11）之间的中间圆筒22通过轴13结合成一个整体;圆筒22的内侧与第2旋转部件（即有底内侧圆筒23）之间;中间圆筒22的周向外表面与铜制外圆筒24相配合。有底内侧圆筒23的内表面的一部分与固定体的外表面共同构成滑动轴承面。绝热间隙26的径向尺寸在0.1mm-1mm的范围内，例如0.5mm。内侧圆筒23的周向内表面构成动压滑动轴承面，是用不锈钢或SKD-11（HIS标准）类的铁合金工具钢制成的。该轴承的结构材料价格便宜，可加工性也好，又有较高的强度，能很好地被Ga合金润滑剂湿润。在其上端的外周设有4个小凸起27，它们与中间圆筒22的周向内表面之间很小的接触面积，既能保持绝热间隙26，又能使两个圆筒保持准确的共轴位置关系。

如后所述，中间圆筒22的导热系数比纯铁的还要小很多，在0℃-500℃的温度范围内，小于0.1（卡/厘米·秒·度），最好用0.08（卡/厘米·秒·度）以下的材料构成。中间圆筒22的上端部分紧固在轴13上，下端部分在距离阳极靶较远的径向滑动轴承20a附 近的位置上，通过钎焊部分25与内侧圆筒23局部结合在一起。这样，沿转轴方向看，中间圆筒22和内侧圆筒23，是在热传导路径上距阳极靶较远的位置上（钎焊部分25处）互相结合在一起的，其余部分都隔有绝热区26。

再者，在中间圆筒22和内侧圆筒23两者之中，至少有一个是用强磁性体制成的，这样有助于提高定子的旋转磁场的磁作用效率。外侧圆筒24由20℃时的电阻率在6×10^-8（Ω·cm）以下的铜或铜合金构成。另外，中间圆筒22和外侧圆筒24除了钎焊部分25以外其它部分都隔有0.5mm以下的绝热间隙，两者共轴配置即可。因此能够进一步抑制轴承部分的温度上升。

再者，中间圆筒22和外侧圆筒24面向阳极靶外露表面22a、24a，最好进行镜面精加工。这样可以反射来自阳极靶1的辐射热，从而抑制轴承部分的温度上升。另外，在外侧圆筒24沿着阳极靶11的方向看不到的部分的周向外表上，涂上一层黑色被覆膜24b，这样可以通过辐射作用将传导到外侧圆筒24上的热量释放出去，进一步抑制轴承部分的温度上升。

另外，内表面构成轴承面的内侧圆筒23，最好采用加工容易、导热系数与中间圆筒22接近的下列材料。即

·铁

·镍

·含碳的铁合金

·以铁及镍为主体的合金

·以铁、镍和钴为主体的合金

·含有各种不锈钢的以铁和铬为主体的合金

·以铁、铬和镍为主体的合金

·含有工具钢的、以及除了含碳以外至少还含有钒、锰、钨、之中任选一种的铁铬合金。

另一方面，固定体15最好采用与上述内侧圆筒23相同的材料，但不限于此，也可以采用W、MO、Ta、Nb、或者以这些材料中的至少一种材料为主体的合金、或者与上述内侧圆筒23同样的材料、或者能够用液态金属润滑剂湿润的陶瓷。

其次，中间圆筒22采用在0-500℃的温度范围内的导热系数在0.1（卡/厘米·秒·度）以下的下列材料。即·以铁及镍为主体的合金

·以铁、镍和钴为主体的合金

·含有各种不锈钢的以铁和铬为主体的合金

·以铁、铬和镍为主体的合金

·含有工具钢的、以及除了含碳以外至少还含有钒、锰、钨、之中任选一种的铁铬合金。

·或者用Ga合金湿润的陶瓷

现将这些具体实例、导热系数、轴承部分B所达到的温度列于表1进行对比。另外，在使用电阻大的陶瓷时，在其一部分表面上覆 有作为阳极电流通路的导电膜。或者有必要构成另外的导电通路。轴承部分B达到的温度，是在同等结构、尺寸的条件下，连续向阳极靶发射功率为240W的电子束时，通过计算轴承部分B所达到的最高温度而推导出的数值。作为比较，该表中示出了纯铁和镍的情况。

表1

表1（续）

注：符号^＊表示JIS（日本工业标准）

由表1可知，由于采用实施例中所示材料的结构，所以在旋转阳极χ射线管工作时，能将轴承部分所达到的温度抑制在大约200℃下，因此轴承的结构材料即使采用上述的铁合金，轴承面几乎不会受到Ga合金的侵蚀，可长期维持动压滑动轴承的稳定动作。

图5所示的实施例，其外侧圆筒24靠近阳极靶11的上端部分通过钎焊部分28与中间圆筒22的一部分相结合，其余大部分与中间圆筒22之间形成第2绝热间隙29。因此，来自阳极靶的热，经过外侧圆筒到达轴承部分的量被减少，进一步抑制了轴承温度的上升。另外，图中所示的外侧圆筒24的下端部分，与中间圆筒22周向外表面上沿周向所设的四个小凸起22b形成点接触，因此两者之间能保持共轴关系。另外，在外侧圆筒24周向表面上设有许多能让小凸起22b的前端插入的槽，组装时将小凸起22b的前端插入这些槽中即可。因此，在工作过程中，能将外侧圆筒24上产生的旋转力有效地传递给中间圆筒22及内侧圆筒23，可使作用在钎焊部分28上的过大的旋转力得到缓解。

在该实施例中，中间圆筒22的下端部分，在远离阳极靶的径向滑动轴承部分20a附近，通过焊接部分31与内侧圆筒23的下端部分结合在一起。于是中间圆筒22和内侧圆筒23之间的大部分配合部分形成绝热间隙26。

图6所示的实施例，是将中间圆筒22和内侧圆筒23在与两个 径向滑动轴承部分20a沿转轴方向的中间段所对应的位置T处（也就是在热传导路径上更远的地方）进行紧密配合，在其余靠近靶极的部分形成绝热间隙26。另外，在固定体15沿转轴方向的中点位置处形成圆弧状的凹面15c。如果采用本实施例，中间圆筒22和内侧圆筒23的机械配合强度高，可以稳定支撑重量较重的阳极靶进行旋转。

图7所示的实施例，是在固定体15的中间段的凹面15c所对应的位置上，通过钎焊，将中间圆筒22和内侧圆筒23结合起来。符号25表示该钎焊部分。而且在钎焊部分25的轴向两端形成绝热间隙26、26。中间圆筒22和外侧圆筒24，通过靠近阳极靶的钎焊部分28结合在一起，同时，下端部分24c通过周向波纹状凹凸面进行机械配合。因此，可以缓解由外侧圆筒向中间圆筒传递的旋转驱动力对钎焊部分28产生的应力集中。

图8所示的实施例，是在中心部位配置与阳极靶11结合成一个整体进行旋转的圆柱形旋转体12，而且设有大致呈圆筒状的固定体15，包围着该旋转体12。如图所示，在该固定体15上端部分设有让转轴13穿过的通也，在图示的下端开口部位，用几个螺钉将封闭开口用的圆盘16及阳极支撑体17固定在此处。封闭开口用的圆盘16与旋转体12的下端面相接，在该面上有螺旋21c。在该固定体15的外围，配置具有电动机转子机能的强磁体圆筒31，以及在其外侧配合的铜制外侧圆筒24。圆筒31的上端部分32采用机械方式牢固 地固定在转轴13上。

然而，旋转体12具有两个旋转部件，即支撑阳极靶11、固定转轴13用的柱状第1旋转部件33，以及设在该第1旋转部件33的外侧。与其共轴配合、以外表面作为滑动轴承面的圆筒状第2旋转部件34。从轴向看，第1旋转部件33和第2旋转部件34在热传导路径上远离阳极靶的一端、即在图示的下端的钎焊部分25处结合成一体。而且，除了钎焊部分24以外，这两个旋转部件33、34的大部分都隔有绝热间隙，两者实际上处于非接触状态。另外，在图示第1旋转部件33的上端设有4个小凸起27，与第2旋转部件34的内表面相连接，以机械方式保持稳定的共轴配合状态。第2旋转部件34的周向外表面及图示的上端面构成动压滑动轴承20a、20b的轴承面，并设有人字形的螺纹槽。这样，由于绝热间隙26的作用，从阳极靶至轴承的热传导路径具有很大的热阻。

再者，绝热区26、29不仅限于是一种空间间隙的形式，例如也可以装配导热系数非常小的陶瓷或其它绝热材料，构成绝热区。

另外，液态金属润滑剂可以使用Ga、Ga-In合金、或Ga-In-Sn合金类的、以Ga为主体润滑剂，但不受此限，例如可以使用铋（Bi）的相对含量较高的Bi-In-Pb-Sn合金、或者In相对含量较高的In-Bi合金，或In-Bi-Sn合金。因它们的熔点在室温以上，所以在使用阳极靶旋转之前，最好将金属润滑剂预热到它的熔点以上所温度，然后再进行旋转。

如上所述，如果采用本发明，则在工作过程中，能切实地抑制动压滑动轴承的结构部件及供给它的液态金属润滑剂的温度上升，几乎不会产生润滑剂对轴承结构部件的侵蚀。因此能获得廉价的且能长期稳定保持高性能的轴承旋转特性的旋转阳极χ射线管。

Claims (4)

1、旋转阳极x射线管，具有在其一部分上固定阳极靶11的旋转体12，与该旋转体12配合而能保持该旋转体旋转的固定体15，在上述旋转体12及固定体15的配合部分设有螺纹槽的滑动轴承20、以及供给上述滑动轴承20的螺纹槽及轴承间隙的液态金属润滑剂，该旋转阳极x射线管和特征为：上述旋转体12包括与上述阳极靶11机械结合的第1旋转部件22和设有上述轴承的第2旋转部件23，两者共轴配合，而且沿转轴方向看，第1旋转部件22和第2旋转部件23在热传导路径上远离上述阳极靶11的位置上相结合，同时在该结合部分以外的配合部分隔有绝热区，上述第1旋转部件22采用在0-500℃的温度范围内的导热系数小于0.1(卡/厘米·秒·度)的材料制成。

2、旋转阳极χ射线管，其特征为：第2旋转部件23由下述材料构成，即铁、镍、以铁为主体的含碳铁、镍合金、以铁及镍为主体的合金、以铁及镍及钴为主体的合金、以铁及铬为主体的合金、以铁及铬及镍为主体的合金、或者除了含碳以外至少还含有钒、锰、钨中任选一种的铁铬合金。

3、根据权利要求1所述的旋转阳极χ射线管，其第1旋转部件22采用下述材料，即以铁及镍为主体的合金、以铁、镍及钴为主体的合金、以铁及铬为主体的合金、以铁、铬及镍为主体的合金、或者除了含碳以外至少还含有钒、锰、钨中任选一种的铁铬合金或者从陶瓷中选用的材料。

4、根据权利要求1所述的旋转阳极χ射线管，在其第1旋转部件22的外围，共轴配合由铜或以铜为主体的合金构成的圆筒24，而且沿转轴方向看，两者在热传导路径上距离阳极靶近的部分采用机械方式结合在一起，在其余部分隔有绝热区。

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