CN109599317A - 用于x射线辐射器的固定阳极和x射线辐射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线辐射器的固定阳极(10)，尤其是用于成像X射线装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器的固定阳极，其具有阳极基体(11)和内置的、沿轴向方向(A)伸展的冷却通道(K)，以将冷却流体引导到所述阳极基体(11)的热交换面(17)处。根据本发明，设置在冷却通道(K)的端部侧的喷嘴(1)借助于止挡元件(3、7、15)关于所述热交换面(17)定位为，使得在热交换面(17)和喷嘴(1)之间形成间隙，所述间隙围绕轴向方向(A)在360°的角度范围上延伸。

Description

用于X射线辐射器的固定阳极和X射线辐射器
技术领域
本发明涉及一种用于X射线辐射器的固定阳极，尤其是X射线成像装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器的固定阳极，所述固定阳极包括阳极基体和内置的、沿轴向方向伸展的冷却通道，所述冷却通道用于将冷却流体引导到阳极基体的热交换面处。本发明还涉及一种具有这样构成的固定阳极的X射线辐射器。
背景技术
X射线辐射器(也称为：X射线管)从X射线技术的不同领域中已知，尤其从成像、放射治疗或光谱学的领域中已知，所述X射线辐射器具有固定阳极，即固定地且尤其不可转动地安装在X射线辐射器的真空壳体中的阳极。为了实现相应高的功率，部分地需要：使冷却流体主动地流过固定阳极。为了引导冷却流体已知下述固定阳极，所述固定阳极具有冷却通道并且设置为，使得尤其阳极基体的下侧能够加载有冷却流体。在阳极基体的相对置的上侧上典型地设置有靶，所述靶能够用电子轰击以产生X射线辐射。
在运行期间，靶和与所述靶连接的阳极基体处于正的高电压电势上。因此，通常仅考虑导电性低的或不导电的冷却介质作为冷却流体。实践中使用的冷却流体例如是完全脱盐水(VE水)。然而，VE水具有富含来自周围环境中的离子的特性。如果富含离子的VE水与尤其由铜构成的阳极基体直接接触，那么会引起材料的腐蚀和逐渐破坏以及冲掉。所述过程通常还通过冷却流体的高的温度和流动速度加强。出于该原因，与VE水接触的铜面，尤其热交换面通常设有薄的覆层或保护层，所述热交换面用于将热量传输出给流过固定阳极的冷却流体。然而，在机械负荷下，尤其是在安装时，覆层会很容易被损坏。
例如，在US 4,064,411或US 3,914,633中已知X射线辐射器，其中用于冷却流体的喷嘴借助于止挡元件与阳极基体在整个环周上隔开。
CH 663 114描述了一种具有底部侧的冷却装置的阳极本体，其中内部冷却腔由内部的、锥形构成的端面限界，使得内部的冷却腔的轴向宽度沿径向方向从中央到边缘连续地减小。
发明内容
从该现有技术出发，本发明的目的是，提出一种在与冷却流体热结合方面改进的固定阳极。
上述目的通过一种用于X射线辐射器的固定阳极，尤其是用于成像X射线装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器的固定阳极来实现，所述固定阳极具有阳极基体和内置的、沿轴向方向伸展的冷却通道，以将冷却流体引导到所述阳极基体的热交换面处，其中设置在所述冷却通道的端部侧的喷嘴借助于止挡元件关于所述热交换面定位为，使得在所述热交换面和所述喷嘴之间形成间隙，所述间隙围绕所述轴向方向在360°的角度范围上延伸，其特征在于，所述热交换面的中央区域锥形地构成，所述中央区域与所述喷嘴的漏斗形的流出开口相对置地设置；上述目的还通过一种X射线辐射器，尤其是成像X射线装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器来实现，所述X射线辐射器包括：能用电子轰击的固定阳极，尤其根据本发明的固定阳极，所述固定阳极具有阳极基体；和内置的、沿轴向方向伸展的冷却通道，以将冷却流体引导到所述阳极基体的热交换面处，其中设置在所述冷却通道的端部侧的喷嘴借助于止挡元件关于所述热交换面定位为，使得在所述热交换面和所述喷嘴之间形成间隙，所述间隙围绕所述轴向方向完全地在360°的角度范围上延伸，其特征在于，所述热交换面的中央区域锥形地构成，所述中央区域与所述喷嘴的漏斗形的流出开口相对置地设置。
本发明的有利的设计方案是本文的主题。
用于X射线辐射器的固定阳极，尤其是用于X射线成像装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器的固定阳极，包括阳极基体和内置的、沿轴向方向伸展的冷却通道，以将冷却流体引导到阳极基体的热交换面处。设置在冷却通道的端部侧的喷嘴借助于止挡元件关于热交换面定位为，使得在热交换面和喷嘴之间形成间隙，所述间隙围绕轴向方向在360°的角度范围上延伸。
因此提出，一方面，在冷却通道的端部处设有喷嘴，以便引起流动速度的提高，冷却流体以该流动速度围绕热交换面流动。另一方面，喷嘴距阳极基体的热交换面的间距经由止挡元件以限定的方式设定，使得在喷嘴和热交换面之间围绕轴线方向在360°的整个角度范围中形成间隙。换言之，喷嘴在任何部位处都不会支撑在热交换面上，也不会点状地支撑在热交换面上。止挡元件设置在不受热负荷的部位处，所述部位尤其与热交换面轴向地间隔开。这种构成方案是有利的，因为减小了固体的提供用于热传递的面的有效大小，所述面与热交换面直接接触。此外，通过这种接触会产生局部强烈加热的区域，所述区域又会引起在阳极基础材料中的热应力。这对于受到高负荷的固定阳极而言是特别重要的，因为这通常限制了可实施的功率。因此期望均匀的热分布。即使不转向更高的功率，那么产生关于当前运行场景的附加的安全裕度，使得延长了固定阳极的使用寿命。通过止挡元件还确保：喷嘴在安装时通常也不能与热交换面接触。因此，至少减少了在安装时损坏热交换面的风险。通过固定阳极在热交换面区域中的具体的构成方案，在温度临界的范围中运行时不产生局部强烈加热的区域或仅产生少量的局部强烈加热的区域。热交换面能够在整个360°的角度范围中均匀地和旋转对称地加载有冷却流体。从中产生均匀的和限定的流动情况。
固定阳极、尤其是具有止挡元件的喷嘴的相对简单的设计方案能够实现借助于常规的制造技术、例如车削或铣削来进行制造。由此，能够实现关于构件相对于彼此的形状和位置公差，尤其是喷嘴相对于热交换面的形状和位置公差的高的制造精度和/或高的可复现性。
根据本发明，热交换面的中央区域，尤其是热交换面的围绕轴向方向定心的区域锥形地构成。热交换面的锥形构成的且尤其是凸出的中央区域主要用于：增大可用于将热量传递给冷却流体的面积。喷嘴的漏斗形的流出开口与热交换面的锥形构成的中央区域相对置地设置。换言之，喷嘴和热交换面在形状和流动方面相互协调。由此，能够实现在锥形的凸起的区域中的特别高的流动速度，这附加地改进散热。
在可行的实施例中，固定阳极基本上，即至少近似地，轴向对称地构造。尤其沿着对称轴线的方向称作为轴向方向。与其垂直的方向尤其被称为径向方向。
冷却流体尤其是液态聚集态的冷却介质。例如，冷却流体是冷却油或开始已经提到的完全脱盐水(VE水)。冷却流体尤其具有至少减小的电导率。
在可行的实施形式中，冷却通道至少分部段地由输送管形成，所述输送管在阳极基体内沿轴向方向延伸。尤其，冷却通道沿轴向方向进一步延伸穿过喷嘴。
在一个优选的实施例中，冷却通道、尤其是输送管，在阳极基体内相对于轴向方向同心地伸展。尤其在垂直于轴向方向伸展的径向方向上，输送管与阳极基体的套管状部段间隔开，该套管状部段从热交换面沿轴向方向延伸。在阳极基体的套管状部段和输送管之间的中间空间用于冷却流体的回流。
在设计方案中提出，止挡元件构成为径向突出的接片，所述接片设置在喷嘴的背离热交换面的端部处并且与阳极基体的内部的且尤其环绕的肩部形成止挡。接片在不受热负荷的部位处经由内部的肩部与阳极基体接触，该不受热负荷的部位尤其沿轴向方向与热交换部位间隔开。内部的肩部尤其在阳极基体的套筒形部段的内表面处被引入并且围绕轴向方向环周地伸展，所述套筒状部段从热交换面沿轴向方向延伸。换言之，避免了在喷嘴和受到高的热负荷的热交换面(也称为：冷却底部)之间的直接接触，因为在这些构件之间的相应的接触面设置在阳极基体的或阳极头部的热学不关键的区域中。
接片优选环周地围绕轴向方向以规则的角间距错开地设置。在本发明的一个可行的实施例中，接片围绕轴向方向以120°的角间距设置，并且与阳极基体的环绕的内部肩部接触。所述止挡元件的具体构成方案尤其用于使喷嘴关于热交换面或冷却底部定心，使得喷嘴开口相对于轴向方向定心地伸展，并且使得所输送的冷却流体均匀地围绕热交换面流动。
冷却通道优选在喷嘴的区域中渐缩，以便能够确保更高的流动速度，进而确保改进的热交换。
在该设计方案中，将多个至少分部段地沿径向方向延伸的冷却通道部段引入阳极基体中。在该实施例中，阳极基体尤其在热交换面的区域中构成为，使得所述阳极基体能够被冷却流体流过，以便进一步改进热传递。在此，冷却通道部段能够闭合地或者在热交换面方面敞开地构成，例如构成为沟槽状的凹部。
在一个优选的实施例中，引入阳极基体中的冷却通道部段螺旋形地构成，以便进一步改进与穿流的冷却流体的热结合。
优选的是，阳极基体的至少一个区域，尤其是阳极冷却体的包围冷却通道部段的区域，借助于增材制造法形成，尤其是借助于3D金属打印、激光烧结或选择性激光熔化来形成。
热交换面优选至少局部地用由对于冷却流体耐腐蚀的材料构成的覆层来进行覆层。以这种方式减少了阳极基础材料的磨损。在安装固定阳极期间，至少减小覆层的机械负荷，因为通过止挡元件能够避免直接接触。即使在不正确安装的情况下，通常由于止挡元件的造型也避免了机械接触，因为所述止挡元件根据防错的“Poka Yoke(防误防错)”原理设计。由此能够实现，设有特别薄的覆层，所述覆层以有利的方式仅不显著地损害在阳极基体和冷却流体之间的热传导。
所述覆层优选由金属，尤其是镍或金构成。
阳极基体优选以导热的方式与由靶材构成的靶连接，所述靶材尤其是钨、铑、钼或金。所述靶能够用电子轰击以产生X射线辐射，并且例如嵌入阳极基体中，因此所述阳极基体用作为具有良好的导热性的载体。
阳极基体优选由阳极基础材料，尤其是铜形成。
根据本发明的设计方案，X射线辐射器，尤其X射线成像装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器，包括上面已经描述的可用电子轰击的固定阳极，所述固定阳极具有阳极基体和内置的、沿轴向方向伸展的冷却通道，以将冷却流体引导到阳极基体的热交换面处。设置在冷却通道的端部侧的喷嘴借助于止挡元件关于热交换面定位为，使得在热交换面和喷嘴之间形成间隙，所述间隙围绕轴向方向完全地在360°的角度范围上延伸。根据本发明，热交换面的中央区域，尤其是热交换面的围绕轴向方向定心的区域锥形地构成。喷嘴的漏斗形的流出开口与热交换面的锥形构成的中央区域相对置地设置。
上面描述的固定阳极和/或上面描述的X射线辐射器优选使用在放射治疗或光谱学的X射线装置中。其它应用领域涉及医疗或工业的成像的X射线装置，例如用于检查货物，尤其是货运集装箱。
附图说明
结合实施例的下述描述使得本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现所述特性、特征和优点的方式方法更清楚和更易于理解，参考附图详细阐述所述实施例。
对于本发明的进一步的描述参考在附图中示出的实施例。附图以示意图示出：
图1示出用于固定阳极的喷嘴的横截面图；
图2示出具有内置的喷嘴的固定阳极的横截面图。
彼此对应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出用于在图2中详细示出的固定阳极10的喷嘴1。
喷嘴1具有沿轴向方向A渐缩的冷却通道K，以用于输送冷却流体，尤其是输送完全脱盐水，所述冷却通道在端部侧转入漏斗形构成的流出开口5中。
此外，喷嘴具有构成为径向突出的接片7的三个止挡元件3，其中在图1中仅一个止挡元件位于所示出的剖平面中。构成为接片7的止挡元件3以120°的角间距环周地设置并用于将所述喷嘴1相对于固定阳极10的阳极基体11固定和定心，使得冷却通道K在固定阳极1内定心地伸展。为此，喷嘴1在背离流出开口5的端部处与分部段地限定冷却通道K的输送管13连接。
构成为止挡元件3的接片7既在径向方向上也在轴向方向A上形状配合地贴靠在阳极基体11的内置的肩部15处。接片7和肩部15构成为，使得在安装时，喷嘴1能够简单地插入阳极基础承载件11中，其中止挡元件3确保：喷嘴1的具有流出开口5的端部关于轴向方向在360°的整个角度范围内与内置的热交换面17间隔开。所述热交换面17在靠近轴线的中央区域19中锥形地构成。锥形构成的中央区域19与流出开口5相对置地且与所述流出开口间隔开地设置，使得也在该区域中，冷却流体也在360°的整个角度范围内均匀地围绕热交换面17流动。
阳极基体11由具有良好导热性的材料构成，例如由铜构成，并且用作为用于靶21的载体，所述靶例如由钨、铑、钼或金构成，所述靶能够用加速的电子轰击，以产生尤其韧致辐射或特征性的X射线辐射。为此，阳极，尤其是靶21和阳极基体11以本身已知的方式处于正的高压电势上。在具有固定阳极10的X射线辐射器运行时，阳极基体11尤其用于将热量散发给通过冷却通道K输送的冷却流体。安置在输送管13的端侧的喷嘴1将冷却流体定向到内置的热交换面17上，所述热交换面在运行期间经受剧烈的热负荷。尤其将阳极基体11的内置的面视作为热交换面17，该内置的面与靶21相对置地设置并且沿径向方向延伸。
在阳极基体11的套筒状部段23的尽可能不受热负荷的部位处进行喷嘴1的固定或紧固。所述止挡元件3尤其在沿轴向方向R与热交换面17间隔开的部位处接触套筒状部段，所述套筒状部段环周地包围喷嘴1。所述肩部15尤其引入到套筒状部段23的环绕的内表面中。在喷嘴1关于轴向方向A的任意的转动取向下，止挡元件3和肩部15确保了喷嘴1尤其关于热交换面17的正确的定心和定位。
在其它实施例中，止挡元件3具有互补的造型，该互补的造型使得喷嘴1能够仅以正确的取向装入阳极基体11中或者装入由阳极基体11形成的冷却底部中。
阳极基体11在内侧并且尤其在热交换面17的区域中设有耐腐蚀的覆层，例如由镍构成的耐腐蚀的覆层。优选的是，覆层是非常薄的，以便确保与冷却流体的良好热结合。在此，层厚度优选为数微米(μm)，尤其是在5μm至50μm之间，优选例如为10μm至15μm，特别优选为12μm。
喷嘴1的通过止挡元件3提供的定心和固定进行为，使得能够实现尤其对热交换面17的锥形区域19自由地涌流。在安装固定阳极1期间，喷嘴1也不与已覆层的热交换面17直接接触，使得能够大范围避免损坏。此外，这能够实现转向非常薄的覆层，以便进一步改进与所输送的冷却流体的热结合。
尽管参考优选的实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明并不局限于此。能够由本领域技术人员从中推导出其它的变型和组合，而不会脱离本发明的基本构思。

Claims (13)

1.一种用于X射线辐射器的固定阳极(10)，尤其是用于成像X射线装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器的固定阳极，所述固定阳极具有阳极基体(11)和内置的、沿轴向方向(A)伸展的冷却通道(K)，以将冷却流体引导到所述阳极基体(11)的热交换面(17)处，其中设置在所述冷却通道(K)的端部侧的喷嘴(1)借助于止挡元件(3、7、15)关于所述热交换面(17)定位为，使得在所述热交换面(17)和所述喷嘴(1)之间形成间隙，所述间隙围绕所述轴向方向(A)在360°的角度范围上延伸，其特征在于，所述热交换面(17)的中央区域(19)锥形地构成，所述中央区域与所述喷嘴(1)的漏斗形的流出开口(5)相对置地设置。
2.根据权利要求1所述的固定阳极(10)，其特征在于，设有相对于所述轴向方向(A)同心地伸展的冷却通道(K)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述止挡元件(3、7、15)构成为径向突出的接片(7)，所述接片设置在所述喷嘴(1)的背离所述热交换面(17)的端部处并且止挡于所述阳极基体(11)的内部的肩部(15)。
4.根据权利要求3所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述接片(7)环周地围绕所述轴向方向(A)以规则的角间距错开地设置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述冷却通道(K)在所述喷嘴(1)的区域中渐缩。
6.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，多个至少分部段地沿径向方向延伸的冷却通道部段被引入所述阳极基体(11)中。
7.根据权利要求6所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述冷却通道部段螺旋形地构成。
8.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述阳极基体(11)的至少一个区域、尤其是所述阳极冷却体的包围所述冷却通道部段的区域，借助于增材制造法形成，尤其是借助于3D金属打印、激光烧结或选择性激光熔化来形成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述热交换面(17)至少局部地用由对于所述冷却流体耐腐蚀的材料构成的覆层来进行覆层。
10.根据权利要求9所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述覆层由金属构成，尤其由镍或金构成。
11.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述阳极基体(11)以导热的方式与由靶材构成的靶(21)连接，所述靶材尤其是钨、铑、钼或金，所述靶能够用电子轰击。
12.根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极(10)，其特征在于，所述阳极基体(11)由阳极基础材料形成，尤其由铜形成。
13.一种X射线辐射器，尤其是成像X射线装置或放射治疗或光谱学的X射线装置的X射线辐射器，所述X射线辐射器包括：
-能用电子轰击的固定阳极(10)，尤其根据上述权利要求中任一项所述的固定阳极，所述固定阳极具有阳极基体(11)，和
-内置的、沿轴向方向(A)伸展的冷却通道(K)，以将冷却流体引导到所述阳极基体(11)的热交换面(17)处，其中设置在所述冷却通道(K)的端部侧的喷嘴(1)借助于止挡元件(3)关于所述热交换面(17)定位为，使得在所述热交换面(17)和所述喷嘴(2)之间形成间隙，所述间隙围绕所述轴向方向(A)完全地在360°的角度范围上延伸，其特征在于，所述热交换面(17)的中央区域(19)锥形地构成，所述中央区域与所述喷嘴(1)的漏斗形的流出开口(5)相对置地设置。
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