CN108447755A - 一种基于液态金属热展开冷却的x射线球管 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管，其包括阳极金属靶和与所述阳极金属靶接触的热展开模块，所述热展开模块通过液态金属的流动进行热量展开以减小热流密度，缓解局部热点效应，驱动液态金属流动的力为电磁力。本发明还提出所述X射线球管的应用。本发明提供的基于液态金属热展开冷却的X射线球管的优点在于，利用高速旋转流动的液态金属取代传统的高速旋转的固态阳极靶来实现热量的展开，避免了轴承等易损坏零件的使用，更重要的是从阳极靶到二级热沉的传热通路大大简化，从而可以显著减小传热热阻，增强散热性能，保障高功率X射线球管的正常使用，并为更高功率X射线球管的研制提供冷却技术储备。

Description

一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种X射线发射设备。

背景技术

X射线是一种高能量短波长电磁波，具有很强的穿透性；在结构探伤，医学诊断，疾病治疗和晶体结构表征等方面有着广泛的应用。医院用于人体内部组织器官扫描的CT设备便是一种常见的X射线源。

X射线一般是由真空环境中高速运动的电子轰击金属靶(阳极靶)而产生的，相应的设备一般称之为球管。在撞击金属靶的瞬间，电子动能1％转化为X射线，99％转化为热量。这些热量如果不能及时散出，将会导致阳极靶温度急剧升高，严重的将会导致阳极靶熔化，球内真空度下降，甚至球管爆裂。随着X射线球管输出功率的不断提高，相应的发热问题也日益凸显，甚至已经成为制约X射线球管向更高功率发展的主要障碍。目前，高功率CT的X射线球管功率已经高达几十甚至上百千瓦，而这些热量将会聚集在阳极靶上一个很小的面积范围内，比如10mm²，相应的热流密度高达1MW/cm²，比目前超高性能计算机芯片的发热功率密度还要高出3个数量级。因此，对其进行有效的冷却难度极高。目前，主要的散热方式是利用阳极靶在高温(比如500℃)时对外进行热辐射。但实际上，辐射散热是一种以提升热源温度为代价的被动式的散热方式，当发热功率进一步提升时，必然导致阳极靶温度进一步升高，从而给球管带来损坏的风险。

在X射线球管的发展过程中，经历了从固定阳极到旋转阳极的革新。当X射线球管功率较小时，相应的发热功率密度较小，可以利用阳极靶的辐射散热和直接对阳极靶进行主动冷却来散热。然而，当发热功率进一步增加时，传统的散热方式已经无法满足这种极端的散热需求。旋转阳极的提出，正是为了利用高速旋转的阳极靶将热源区域由固定阳极时的线区域扩展到整个阳极靶面区域，从而大大减小发热功率密度，改善其发热情况。

然而，旋转阳极带来的一个问题是需要旋转轴承支撑，而轴承副之间的传热一般是比较差的，这将导致热量很难从阳极靶通过轴承副传导出去，从而使得整个冷却主要依靠热辐射来完成，这显然是一种不尽合理的方案。此外，高温还将导致常用的滚珠轴承的损坏，降低其整体性能。尽管目前已经有提出利用液态金属润滑轴承来替代原有的滚珠轴承，但是效果仍然有限。这种方式中，X射线球管在一定程度上虽能借助液态金属热界面材料将热量传导出去，但导热路径过长、热阻过大会导致冷却效果并未充分发挥；而且，系统还需避免真空环境下液态金属的蒸发，以确保设备的工作可靠性。

因此，为了有效应对X射线球管不断增加的散热要求，急需一种既能实现电子轰击区域热量高效展开以减小热流密度缓解局部热点，同时又能将展开的热量及时传递到外界环境的新方法。

液态金属是近年来备受关注的一种新兴的高性能热管理材料，在对流(或射流)冷却，相变热控，热界面材料等方面均展现出远优于传统热管理材料的传热散热性能，被认为是解决极端散热问题的终极选择。将液态金属引入X射线球管的热管理中，有望解决其面临的散热瓶颈问题。

发明内容

基于本领域存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管。

本发明的第二个目的是提出所述X射线球管的应用。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管，包括阳极金属靶和与所述阳极金属靶接触的热展开模块，所述热展开模块通过液态金属的高速循环流动进行热量展开，驱动液态金属流动的力为电磁力。

其中，所述热展开模块包括基板和液态金属，所述基板上开有沟槽，沟槽内密封有所述液态金属，所述沟槽首尾连通构成为闭合的流道。

优选地，所述基板为陶瓷材料制成，在基板内部的闭合流道上配置有电磁泵，电磁泵主要由永磁体对和电极对构成，电极对通过液态金属实现电路的导通。在通电状态下，永磁体磁场会对液态金属产生驱动力以推动其循环流动。磁场方向，电流方向和液态金属流动方向三者相互垂直。所述基板与阳极金属靶通过热界面材料紧密贴合或直接焊接，以减小界面接触热阻。

其中，所述的液态金属为汞、镓、铅、铟、铋、锡、铬、镓基合金、锡基合金、铋基合金中的一种；

所述镓基合金选自镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金中的一种，所述锡基合金选自锡铋合金、锡铋铟合金、锡铋铟锌合金中的一种，所述铋基合金选自铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的一种。

进一步地，在所述热展开模块下方设置有二级热沉，对于连续负载的X射线球管，所述二级热沉为液冷散热系统、热管散热系统、风冷散热系统、热电冷却系统中的一种或多种；

对于瞬时负载的X射线球管，所述二级热沉为固液相变热控模块，相应的固液相变材料可以为金属相变材料，有机相变材料或无机相变材料中的一种。

本发明所述的X射线球管在制备X射线发生器件中的应用。

本发明的有益效果为：

本发明提供的基于液态金属热展开冷却的X射线球管的优点在于，利用高速旋转流动的液态金属取代传统的高速旋转的固态阳极靶来实现热量的展开，避免了轴承等易损坏零件的使用，更重要的是从阳极靶到二级热沉的传热通路大大简化，从而可以显著减小传热热阻，增强散热性能，保障高功率X射线球管的正常使用。这种将液态金属单元独立于真空环境之外的热量传递方式也显著区别于以往的X射线球管借助高导热界面材料将热量传导出去的方式，而且冷却效果及可靠性可得到大幅度提升。

附图说明

图1是本发明的一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管的工作原理示意图；

图2是实施例1中液态金属热展开模块4的结构示意图；

图3是实施例1的采用液冷作为二级冷却的系统示意图。

图中，1为玻璃球管1，2为阴极灯丝，3为阳极靶，4为液态金属热展开模块4，41为基板，42为槽道，43为液态金属，44为电极对，45为永久磁铁，5为二级热沉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

附图1是本发明的一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管的工作原理示意图。在玻璃球管1封闭的真空环境内，对阴极灯丝2施加一定的电压使其发热，发热的灯丝产生电子；在阴极灯丝2和阳极靶3之间施加一个高压电场，电子便会加速飞向阳极靶；高速电子在轰击阳极靶后，一部分动能转化为X射线释放出去以供使用，而绝大部分动能则转化为热量；与阳极靶紧紧贴合的液态金属热展开模块4，利用内部高速旋转流动的液态金属将阳极靶的热量分散到更大的面积区域，从而降低其热流密度，缓解局部热点效应；二级热沉5则是将液态金属热展开模块的热量散失到环境当中去；由于此时热流密度经过液态金属热展开模块的作用已经大大降低，冷却难度也相应降低，可以利用常规的散热方式，如液冷(附图3)，来进行最终的散热。

具体本实施例中，陶瓷材质的基板1上开有2个并列的闭合圆环形槽道，两个环形槽不连通；槽道42径向上远离所述阳极金属靶的端上设置有电磁泵，电磁泵由一对永久磁铁45，电极对44构成，电磁泵产生的电磁力驱动两个环形槽内的液态金属43高速循环流动以实现局部高热量的展开。本实施例中，所述的液态金属为镓铟合金Ga_75.5In_24.5。所述基板为陶瓷材料制成，在基板内部的闭合流道上配置有电磁泵，电磁泵主要由永磁体对和电极对构成，电极对通过液态金属实现电路的导通。在通电状态下，永磁体磁场会对液态金属产生驱动力以推动其循环流动。磁场方向，电流方向和液态金属流动方向三者相互垂直。所述基板与阳极金属靶通过热界面材料紧密贴合或直接焊接，以减小界面接触热阻。

在热展开模块下方设置二级热沉5，二级热沉是一个液冷系统，该液冷系统中的冷却工质为油；所述二级热沉包括循环管路，冷却工质的进口位于所述二级热沉的中部，出口位于所述二级热沉的边缘。

实施例2

本实施例中，所述的X射线球管为瞬时性间歇性使用的球管系统，其二级热沉为固液相变热控模块，其相变材料为铋铟锡共晶合金金属相变材料。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当知晓，在不脱离本发明设计精神的前提下，对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于液态金属热展开冷却的X射线球管，其特征在于，包括阳极金属靶和与所述阳极金属靶接触的热展开模块，所述热展开模块通过液态金属的循环流动进行热量展开，驱动液态金属流动的力为电磁力。

2.根据权利要求1所述的X射线球管，其特征在于，所述热展开模块包括基板和液态金属，所述基板内开有沟槽，沟槽内密封有所述液态金属，所述沟槽首尾连通构成为闭合的流道。

3.根据权利要求2所述的X射线球管，其特征在于，所述基板为陶瓷材料制成，在基板内部的闭合流道上配置有电磁泵，电磁泵主要由永磁体对和电极对构成，电极对通过液态金属实现电路的导通；在通电状态下，永磁体磁场对液态金属产生驱动力以推动其循环流动；磁场方向、电流方向和液态金属流动方向两两相互垂直。

4.根据权利要求2所述的X射线球管，所述基板与阳极金属靶通过热界面材料紧密贴合或直接焊接，以减小界面接触热阻。

5.根据权利要求1所述的X射线球管，其特征在于，所述的液态金属为汞、镓、铅、铟、铋、锡、铬、镓基合金、锡基合金、铋基合金中的一种；

所述镓基合金选自镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金中的一种，所述锡基合金选自锡铋合金、锡铋铟合金、锡铋铟锌合金中的一种，所述铋基合金选自铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的一种。

6.根据权利要求1～5任一项所述的X射线球管，其特征在于，在所述热展开模块下方设置有二级热沉，对于连续负载的X射线球管，所述二级热沉为液冷散热系统、热管散热系统、风冷散热系统、热电冷却系统中的一种或多种；

对于瞬时负载的X射线球管，所述二级热沉为固液相变热控模块，相应的固液相变材料可以为金属相变材料，有机相变材料或无机相变材料。

7.权利要求1～6任一项所述的X射线球管在制备X射线发生器件中的应用。