CN110199373B - 大功率x射线源与操作方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了一种具有旋转靶组件的大功率连续式X射线源，通过与靶组件接触的液体材料的循环而冷却旋转靶组件，其中，靶组件具有被电子撞击的前表面和用于使靶组件旋转的机构。冷却液始终与靶的至少一个表面接触，以驱散由电子流沉积的能量而产生的热量，由此降低靶的温度以允许连续操作。

Description

大功率X射线源与操作方法
交叉引用
本申请依赖于于2017年1月31日提交的题为“大功率X射线源及其操作方法(HighPower X-Ray Source and Method of Operating the Same)”的美国临时专利申请号62/452,756的优先权。
技术领域
本说明书一般涉及X射线系统，并且具体地，涉及连续操作的大功率、高能X射线源，X射线源包括通过与靶组件连通的流体的循环被冷却的旋转靶。
背景技术
大功率电子源(高至500kW)通常用于X射线照射应用中，包括食品照射和灭菌。通常，笔形电子束被光栅化，其包括从一边至另一边扫描区域，同时，输送系统转移对象，以覆盖被照射的对象。电子横过将源真空与空气分离的薄窗。因为其较薄，所以窗能够易于冷却，以防止破裂，并且因为电子束被光栅化，所以其在较大的区域上扩散电子能。由此，相比于聚集在小的点中的热量，其更易于冷却。
在典型的X射线照相术中，射束中的电子撞击固定靶以产生X射线。靶通常是被冷冻的循环水冷却以除去由电子沉积的热量的铜钎接的钨-铼。高能X射线检查系统通常采用高至1kW的源，其可以包括这种类型的靶的使用。然而，存在新兴的检查应用，其中，需要将功率增加至近似20kW，以允许更大的穿透力并且实现新的技术。然而，在这些较高的功率下，不能将来自靶的热量足够快地除去至靶液化点，从而破坏靶。
计算机断层扫描(CT)应用中使用的医学X射线管因亚毫米焦斑而要求非常高的功率(高至100kW)。图1示出了医学应用中使用的典型的旋转阳极X射线管100。玻璃壳102将包括灯丝106的阴极104封入聚焦杯中，并且阳极/靶108经由阳极靶茎114与钨/铼阳极盘110耦接。为了防止该管中的阳极/靶108熔化，通过使用包括转子109和定子111的电机使靶108以非常高的速度(约8000rpm)旋转，以使靶108内的热量在较大的面积上驱散。因为通过高真空密封传递旋转轴不切实际，所以将管的旋转部分定位在包括已产生的X射线通过其离开管100的端口116的玻璃真空壳102内。通过靶108的储热能力实现温度管理。因为通过传导除去的热量是可忽略的并且储热能力有限，所以有时在再次开启之前需要关闭管100，由此减少占空系数。然而，不同于医学应用，一些安全检查系统需要连续的操作。因此，需要一种能够连续操作并且不产生过热问题的大功率X射线源。
大功率靶所使用的另一种方法基于液态金属靶。图2示出了X射线源中使用的典型的液态金属靶组件。通过循环的液态金属204冷却靶202的至少一部分。使用热交换器206将液态金属204冷却下来并且使用泵208对液态金属204进行再循环。液态金属204用作X射线产生靶以及冷却液两者，在于通过液态金属204的流动流除去因电子束210撞击靶表面202而产生的热量。该方法的优点在于，由于液态金属能够被足够快地冷却，其允许连续的操作。
可能的液态金属包括液态镓，其具有高的导热率、高的容积比热、以及低的动力粘度。然而，与钨(Z＝74)相比较，镓具有低的原子数(Z)32，这导致X射线转换效率更低并且轫致辐射扇角更窄。水银是室温下具有高Z(80)的液态金属，然而，由于其危害性质，通常不用于这种应用。合适的金属合金由62.5％的Ga、21.5％的In、以及16％的Sn构成。然而，与钨相比较，上述合金的原子数也相当的低。另一合适的合金可以由具有更高的Z的元素构成，诸如，43％的Bi、21.7％的Pb、18.3％的In、8％的Sn、5％的Cd、以及4％的Hg。然而，水银、镉、以及铅全部是危害材料。液态金属靶的另一缺点在于其需要薄窗将真空与液态靶分离。该窗破裂与污染真空的概率较高。
因此，需要一种能够以安全并且有效的方式进行冷却的大功率X射线产生靶。进一步地，具有该靶的X射线管能够以连续的模式操作。
发明内容
结合意在为示例性和说明性、并且范围不受限制的系统、工具、以及方法描述并且示出下列实施方式及其各方面。本申请公开了多个实施方式。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种大功率辐射产生靶组件，包括：靶子组件，具有铜体和沿着铜体的外围定位的靶，其中，所述靶被粒子流撞击以产生辐射；多个叶片，定位在所述铜体上；水流，推动所述叶片，以使所述铜体旋转和冷却；以及至少一个耦接件，在旋转时提供真空密封。
可选地，所述粒子流包括撞击旋转靶子组件以产生X射线的电子。可选地，电子的能量为6MV或更高。
可选地，靶是由钨制成的环。
可选地，靶组件还包括用于在预定方向上引导液体流并且用于推动多个叶片的一个或多个流引导器。
可选地，所述液体是水。可选地，至少一个耦接件是用于提供真空密封的磁流体耦接件。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种大功率辐射产生靶组件，包括：靶子组件，具有铜体和沿着铜体的外围的靶，其中，所述靶被粒子流撞击以产生辐射；液体流，用于冷却所述铜体；直流电机驱动，被配置为使铜体旋转；以及，耦接件，在旋转时提供真空密封。
可选地，所述粒子流是撞击旋转目标以产生X射线的电子束。可选地，电子的能量为6MV或更高。
可选地，靶是由钨制成的环。
可选地，直流电机驱动包括无刷力矩电机。
可选地，所述液体是水。
可选地，耦接件是用于为水密封提供真空的磁流体耦接件。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种大功率辐射产生靶组件，包括：靶子组件，具有铜体和沿着靶体的外围的靶，其中，所述靶被粒子流撞击以产生辐射；液体流，用于冷却所述铜体；链驱动电机，被配置为使铜体旋转；以及耦接件，提供真空密封。
可选地，所述粒子流是撞击旋转靶而产生X射线的电子束。可选地，电子的能量为6MV或更高。
可选地，靶是由钨制成的环。
可选地，链驱动电机结合下列中的一个操作：链、定时带、连续式电缆、以及直流正齿轮耦接件。
可选地，所述液体是水。
可选地，耦接件是用于为水密封提供真空的磁流体耦接件。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种连续操作辐射产生靶组件的方法，包括：使靶旋转，其中，所述靶形成在铜体的外围上，并且其中，使用用于产生旋转的机构使得所述靶旋转；使粒子流撞击旋转靶以产生辐射；并且使冷却液在靶周围循环，使得液体始终与靶的至少一个表面接触，以驱散由撞击的粒子流产生的热量，由此冷却靶以允许连续操作，其中，靶组件包括提供真空密封的耦接件。
可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述铜体的多个叶片，其中，所述叶片被所述冷却液的喷流推动，由此使靶旋转。
可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述靶组件的直流电机驱动，所述电机包括无刷力矩电机。
可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述靶组件的链驱动电机。可选地，链驱动电机结合下列中的一个操作：链、定时带、连续式电缆、以及直流正齿轮耦接件。
可选地，所述粒子流是撞击旋转靶以产生X射线的电子束。可选地，电子的能量为6MV或更高。
可选地，靶是由钨制成的环。
可选地，所述冷却液是水。
可选地，耦接件是用于为水密封提供真空的磁流体耦接件。
在一些实施方式中，本说明书描述了一种包括旋转靶组件的大功率辐射源，靶组件通过与组件接触的液体的循环被冷却，组件包括：靶，其中，所述靶被粒子撞击以产生辐射；多个叶片，被附接至所述靶组件，其中，所述叶片被液体的喷流推动，以使目标旋转；以及至少一个耦接件，为真空密封提供水。可选地，靶组件还包括用于在预定方向上引导液体材料的喷流并且用于推动多个叶片的一个或多个流引导器。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种包括旋转靶组件的大功率辐射源，靶组件通过与组件接触的液体的循环被冷却，组件包括：靶，其中，所述靶被粒子撞击以产生辐射；直流电机驱动，被附接至所述靶组件，以使靶组件旋转；以及耦接件，提供水至真空密封。可选地，直流电机驱动包括无刷力矩电机。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种包括旋转靶组件的大功率辐射源，靶组件通过与组件接触的液体的循环被冷却，组件包括：靶，其中，所述靶被粒子撞击以产生辐射；链驱动电机，被附接至所述靶组件，以使靶组件旋转；以及耦接件，提供水至真空密封。可选地，链驱动电机结合下列中的一个操作：链、定时带、以及连续式电缆。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种使用旋转靶组件操作连续辐射源的方法，包括：使靶旋转，其中，使用用于产生旋转的机构使得所述靶旋转；将粒子流引导至旋转靶上以产生辐射；使得与靶组件接触的液体循环而冷却靶；以及，耦接件，提供水至真空密封。可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述靶组件的多个叶片，其中，所述叶片被液体的喷流推动，以使靶旋转。可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述靶组件的直流电机驱动，以使靶旋转，直流电机驱动包括无刷力矩电机。可选地，用于使靶旋转的机构包括被附接至所述靶组件的链驱动电机，以使靶旋转。可选地，链驱动电机结合下列中的一个操作：链、定时带、以及传动带。可选地，粒子是撞击所述靶以产生X射线的电子。可选地，靶由钨制成。
在一些实施方式中，本说明书公开了一种包括旋转靶组件的大功率辐射源，靶组件通过与组件接触的液体的循环被冷却，组件包括：靶，其中，所述靶被粒子撞击以产生辐射；以及，多个叶片，被附接至所述靶组件，其中，所述叶片被液体的喷流推动，以使靶旋转。
可选地，大功率辐射源还包括提供水至真空密封的耦接件。可选地，耦接件是用于提供水至真空密封的动力磁流体耦接件。可选地，大功率辐射源还包括提供密封、以使得水与真空之间、水与空气之间、或真空与空气之间分离的至少一个耦接件。
在下面提供的附图与具体实施方式中更深入地描述了本说明书的上述及其他实施方式。
附图说明
当结合附图考虑时，由于通过参考下列具体实施方式而变得更易于理解，将认识到本说明书的这些及其他特征与优点，其中：
图1示出了医学应用中使用的常规旋转阳极X射线管100；
图2示出了大功率X射线源中使用的液体-金属靶组件；
图3A是根据本说明书的实施方式的包括被喷水推动的靶子组件的X射线产生靶组件的侧横截面图；
图3B是根据本说明书的实施方式的图3A中的X射线靶子组件的一部分的正横截面图；
图4A示出了根据本说明书的实施方式的包括经由直流驱动电机旋转的靶子组件的X射线产生靶组件的侧横截面图；
图4B是根据本说明书的实施方式的图4A中的X射线靶子组件的一部分的正横截面图；
图5A示出了根据本说明书的实施方式的包括经由链电机驱动旋转的靶子组件的X射线产生靶组件的侧横截面图；
图5B是根据本说明书的实施方式的图5A中的X射线靶子组件的一部分的正横截面图；并且
图6是示出根据本说明书的实施方式的操作旋转辐射产生靶组件的步骤的流程图。
具体实施方式
本说明书描述了大功率、旋转X射线产生靶的若干实施方式。在各个实施方式中，靶由被钎接至铜体的钨的环制成、以高速旋转、并且利用冷冻水的高速流动被冷却下来。在实施方式中，水流的速度的范围为100RPM与5000RPM之间。在实施方式中，水流的速度基于靶材料厚度、靶材料类型、射束电流、以及冷却温度改变。在实施方式中，用于冷却靶的水的喷流也用于使靶旋转。进一步地，在实施方式中，使用O形环或垫圈经由物理接口将靶子组件连接至电子加速器。诸如水或水和乙二醇混合物的冷却液始终与靶的至少一个表面接触，以驱散由电子流沉积的能量产生的热量，由此降低靶的温度并且允许连续操作。
用于辐射产生靶组件的术语“大功率”指靶组件被配置为产生至少2kW并且高至100kW的X射线辐射。本说明书中的实施方式可用于在2kW至20kW的功率或能量范围内操作的靶组件。靶组件的设计取决于所需功率及所需功率与靶组件的对应尺寸的优化。应当认识到，通过使得X射线产生靶组件更大能够增加本说明书中的靶组件的功率容量。
本说明书面向多个实施方式。为了能够使得本领域普通技术人员实现本发明而提供下列公开内容。本说明书中使用的语言不应被解释为全面否认任意一个具体实施方式或用于将权利要求限制在本文中使用的术语的含义之外。在不背离本发明的实质和范围的情况下，本文中限定的一般原理可以应用于其他实施方式及应用。此外，所使用的术语和措词用于描述示例性实施方式的目的并且不应被视为限制。由此，本发明与涵盖和所公开的原理和特征一致的多种替代、改造、以及等同物的最宽范围相符合。出于清晰之目的，未详细描述与和本发明有关的技术领域中已知的技术材料有关的细节，以不使得本发明不必要地模糊。在本申请的说明书和权利要求书中，每个词“包括(comprise)”、“包括(include)”、与“具有”、及其形式不一定必须局限于与词相关联的列表中的元件。
本文中，应注意，在任意其他实施方式中可以使用并且实现与具体实施方式相关联描述的任意特征或部件，除非另有明确指示。
图3A示出了根据本说明书的实施方式的包括含由喷水推动并且冷却的靶的靶子组件302的X射线产生靶组件300的侧横截面图。图3B示出了根据本说明书的实施方式的靶子组件302的一部分沿着图3A中的线340的分解、正横截面图。参考图3A和图3B，靶子组件302包括支撑被钎接至铜体330中的靶环303的铜体330。在实施方式中，靶环303包括钨环。然而，在可选实施方式中，对于上面近似7.5MeV的能量，当不需要中子产物时，使用铜体330作为靶。在一些实施方式中，铜体330是盘形状并且可选地包括突出的中心轮部分。在实施方式中，靶环303可以围绕铜体330的中心轮部分定位。靶环303沿着铜体330的边缘或外围定位，其中，靶子组件302或其部分与诸如例如线性加速器的电子源或电子加速器直接相对。铜体330容纳在中空的不锈钢圆筒355内。在实施方式中，铜体330的顶部330a和底部330b被钎接至中空圆筒355的内表面。靶外壳320容纳靶子组件302。在实施方式中，靶外壳由不使得X射线明显衰减的薄材料构成。
由设置在圆筒355与外壳320之间的第一轴承310(真空内)和第二轴承312实现靶子组件302和圆筒355围绕中心纵轴380的旋转。在一些实施方式中，第一轴承310和第二轴承312是具有被夹持在固定部分与旋转部分之间的多个球形物的不锈钢的径向开式轴承。轴承310、312的固定部分被附接至外壳320的内表面，而轴承310、312的旋转部分耦接至并且抵靠在圆筒355的外表面上。动力磁流体耦接件或密封件306(在实施方式中，包括第一部分306a和第二部分306b)也定位在圆筒355与外壳320之间。在一些实施方式中，可以采用两个磁流体耦接件。在一些实施方式中，仅采用一个磁流体耦接件。定位在外壳320的远端或外围的固定O形环308用作靶子组件302与和外壳320邻接的电子源接口316之间的真空/空气密封件。保持件或螺纹式螺母轴承314耦接至外壳320的内表面，而保持件315耦接至圆筒355的外表面。如图3A所示，第二轴承312定位在通过铜体330定位的竖直面341的近端，第一轴承310定位在通过铜体330的竖直面341的远端。在实施方式中，磁流体耦接件306定位在第一轴承310与第二轴承312之间。螺纹式螺母轴承314和保持件315设置在第一轴承310的远端并且与第一轴承310邻接。螺纹式螺母轴承314和保持件315允许一个轴承被移动地附接，以使得其能够在未对准的情况下进行调整。在可选实施方式中，可以采用单一轴承。理想地，如果采用单一轴承，其能够承受力矩的力。在实施方式中，如果采用单一轴承，其可以放置在铜体330的竖直面341的近端的位置处。本领域普通技术人员应当认识到，轴承310、312、314与磁流体耦接件306的当前布置仅是示例性的并且在可选实施方式中可以不同。
仍参考图3A和图3B，靶子组件302还包括被配置成径向拉长件的多个叶片322。在实施方式中，叶片尺寸取决于靶的整体尺寸。在实施方式中，多个叶片322耦接至铜体330。在实施方式中，叶片322经由任意适合的粘结装置耦接至铜体，诸如，但不限于机械加工、胶合、或焊接。在实施方式中，任意两个连续的叶片彼此间隔开一定距离，其中，距离范围为从第一值至第二值。在实施方式中，应注意，叶片322之间的距离取决于靶和靶子组件的整体尺寸。在一些实施方式中，多个叶片322被配置成相对于铜体330的平面定位在铜体330的后面的第一同心环322a和第二同心环322b。本领域普通技术人员应当理解的是，X射线产生靶组件300定位在X射线源组件(其整体未示出)的电子源接口316与准直仪350之间。本文中应注意，在本说明书的实施方式中，可以采用电子加速器(可以是X射线源组件的一部分)。在实施方式中，电子加速器可以是用于操作小于600kV的能量的管。在实施方式中，电子加速器可以是用于操作大于lMeV的能量并且用于产生高能电子的线性加速器。
根据本说明书的一方面，通过循环水304的流动冷却靶子组件302。在操作中，固定电子束318面向铜体330的外围，以使得撞击靶环303。在一些实施方式中，电子束318中的电子的能量为6MV或更高的数量级。当电子束318撞击靶环303(经由水流旋转)时，产生X射线并且由电子沉积的能量围绕旋转靶环303扩散。经由管道或开口324流入外壳320中的冷水撞击包括叶片322的同心环322a和322b，由此旋转铜体330并且同时冷却靶子组件302。在冷却靶子组件302之后，热水经由管道或开口326流出外壳320至冷冻器以冷却水。流引导器328被设置成在期望方向上引导水流。在实施方式中，靶子组件302在近似100psi的压力下由喷水推动。
图4A示出了根据本说明书的实施方式的包括经由直流驱动电机旋转的靶子组件402的X射线产生靶组件400的侧横截面图。图4B示出了根据本说明书的实施方式的通过流动水冷却的靶子组件402的一部分沿着图4A中的线440的正横截面图。参考图4A和图4B，靶子组件402包括支撑被钎接至铜体430中的靶环403的铜体430。在实施方式中，靶环403包括钨环。然而，在可选实施方式中，对于近似7.5MeV以上的能量，当不需要中子产物时，使用铜体430作为靶。在一些实施方式中，铜体430是盘形状并且可选地包括突出的中心轮部分。在实施方式中，靶环403可以围绕铜体430的中心轮部分定位。在实施方式中，钨环403沿着铜体430的边缘或外围定位，其中，靶子组件402或其部分与诸如例如线性加速器的电子源直接相对。铜体430容纳在中空的不锈钢圆筒455内。在实施方式中，铜体430的顶部430a和底部430b被钎接至中空圆筒455的内表面。靶外壳460容纳靶子组件402。在实施方式中，靶外壳由不使得X射线明显衰减的薄材料构成。
至少一个并且优选地第一磁流体密封件406a和第二磁流体密封件406b也定位在圆筒455与靶外壳460之间，以提供真空至电机/空气密封以及电机/空气至水密封。至少一个固定O形环408用作靶子组件402与和靶外壳460邻接的电子源接口420之间的真空/空气密封件。可选地，采用两个固定O形环密封件408并且用作靶子组件402与靶外壳460之间的真空/空气密封件。
由定位在中空圆筒455与靶外壳460之间的第一轴承410和第二轴承412实现靶子组件402和圆筒455围绕中心纵轴480的旋转。在一些实施方式中，第一轴承410和第二轴承412是具有被夹持在固定部分与旋转部分之间的多个球形物的不锈钢的径向开式轴承。第二轴承412设置在铜体430的竖直面441的近端，第一轴承410设置在铜体430的竖直面441的远端。在实施方式中，第一轴承410定位在第一磁流体密封件406a的远端侧上并且第二轴承412定位在第二磁流体密封件406b的近端侧上，其中，相对于通过铜体430的竖直面441限定所述远端侧和近端侧，且近端位置更靠近竖直面441，而远端位置更远离竖直面441。由此，在刚刚描述的实施方式中，第一轴承410和第二轴承412“夹持”第一磁流体密封件406a和第二磁流体密封件406b，以在旋转时提供真空密封。在可选实施方式中，第一轴承410可以定位在第一磁流体密封件406a的近端侧上的空气中，而第二轴承412可以定位在第二磁流体密封件406b的远端侧上的空气中，因此，第一轴承410和第二轴承412被“夹持”在第一磁流体密封件406a与第二磁流体密封件406b之间的空气中。在可选实施方式中，可以采用单一轴承。理想地，如果采用单一轴承，其能够承受力矩的力。在采用单一轴承的实施方式中，其可以是定位在第一磁流体密封件406a的近端侧上的空气中的第一轴承410或定位在第二磁流体密封件406b的远端侧上的空气中的第二轴承412。
轴承410的固定部分被附接至结构件490，而轴承412的固定部分被附接至靶外壳460的内表面。轴承410、412的旋转部分耦接至并且抵靠在圆筒455的外表面上。外部轴承保持件414在远端处定位在外壳460的外围上，而内部轴承保持件416耦接至圆筒455的外表面。内部轴承保持件416定位在轴承410的远端，而外部轴承保持件414定位在内部轴承保持件416的远端和外壳460的外围的近端。轴承保持件414和416允许一个轴承被移动地附接，以使得其能够在未对准的情况下进行调整。本领域普通技术人员应当认识到，轴承410、412与两个磁流体密封件406a、406b的当前布置仅是示例性的并且在可选实施方式中可以不同。
包括无刷力矩电机409的直流电机驱动被直接设置在靶子组件402上并且附接至靶子组件402，以使子组件402(并且因此铜体430)和圆筒455旋转。在实施方式中，靶子组件402能够被钎接至不锈电机转子，其中，永久磁体被粘结至转子。本领域普通技术人员应当理解的是，X射线产生靶组件400定位在X射线源组件(其整体未示出)的电子源接口420与准直仪450之间，在实施方式中，X射线源组件可以包括用于产生高能电子的线性加速器。
根据本说明书的一方面，通过循环水404冷却靶子组件402，而通过电机409使子组件402并且因此铜体430旋转。在操作中，固定电子束418面向铜体430的外围并且撞击靶环403。在一些实施方式中，电子束418中的电子的能量为6MV或更高的数量级。当电子束418撞击靶环403(通过电机409而旋转)时，产生X射线并且通过电子沉积的能量围绕靶的钨环403扩散。在实施方式中，例如，可以采用联合运动模型HTO5000无刷电机，以使靶旋转并且使水循环。在其他实施方式中，可以使用任意合适的无刷力矩电机。进一步地，根据实际配置，由于通过电机感应的电场和磁场，电机可以改变电子束轨迹。返回参考图4A和图4B，通过经由管道或开口424流经外壳460、循环并且使靶子组件402冷却的冷水冷却靶子组件402。热水经由管道或开口426流出外壳460至冷冻器以冷却热水。流引导器428被设置成在期望方向上引导水流。在实施方式中，采用至少一个管490来利用水冷却靶外壳或壳体460。可选地，采用三个管490。
图5A示出了根据本说明书的实施方式的包括经由电机驱动旋转的靶子组件502的X射线产生靶组件500的侧横截面图。图5B示出了根据本说明书的实施方式的通过流动水冷却的靶子组件502的一部分沿着图5A中的线540的正横截面图。参考图5A和图5B，靶子组件502包括支撑被钎接在铜体501中的靶环503的铜体501。在实施方式中，靶环503包括钨环。然而，在可选实施方式中，对于近似7.5MeV以上的能量，当不需要中子产物时，可以使用铜体501作为靶。在一些实施方式中，铜体501是盘形状并且可选地包括突出的中心轮部分。在实施方式中，靶环503可以围绕铜体501的中心轮部分定位。在实施方式中，钨环503沿着铜体501的边缘或外围定位，其中，靶子组件502或其部分与诸如例如线性加速器的电子源直接相对。铜体501容纳在中空的不锈钢圆筒555内。在实施方式中，铜体501的顶部501a和底部501b被钎接至中空圆筒455的内表面。靶外壳560容纳靶子组件502。在实施方式中，靶外壳由不使X射线明显衰减的薄材料构成。
至少一个并且优选地第一磁流体密封件506a和第二磁流体密封件506b也定位在圆筒555与靶外壳560之间，以提供真空至电机/空气密封以及电机/空气至水密封。至少一个固定O形环508用作靶子组件502与和靶外壳560邻接的电子源接口524之间的真空/空气密封件。可选地，采用两个固定O形环密封件508并且用作靶子组件502与靶外壳560之间的真空/空气密封件。
通过设置在圆筒555与外壳560之间的第一轴承514和第二轴承516实现靶子组件502和圆筒555围绕中心纵轴580的旋转。在一些实施方式中，第一轴承514和第二轴承516是具有被夹持在固定部分与旋转部分之间的多个球形物的不锈钢的径向开式轴承。第二轴承516设置在铜体501的竖直面的近端，第一轴承514设置在铜体501的竖直面的远端。在实施方式中，第一轴承514定位在第一磁流体密封件506a的远端侧上并且第二轴承516定位在第二磁流体密封件506b的近端侧上，其中，相对于通过铜体501的竖直面541限定所述远端侧和近端侧，且近端位置更靠近竖直面541，而远端位置更远离竖直面541。由此，在刚刚描述的实施方式中，第一轴承514和第二轴承516“夹持”第一磁流体密封件506a和第二磁流体密封件506b。在可选实施方式中，第一轴承514可以定位在第一磁流体密封件506a的近端侧上的空气中，而第二轴承516可以定位在第二磁流体密封件506b的远端侧上的空气中，因此，第一轴承514和第二轴承516被“夹持”在第一磁流体密封件506a与第二磁流体密封件506b之间的空气中。在可选实施方式中，可以采用单一轴承。理想地，如果采用单一轴承，其能够承受力矩的力。在采用单一轴承的实施方式中，其可以是定位在第一磁流体密封件506a的近端侧上的空气中的第一轴承514或定位在第二磁流体密封件506b的远端侧上的空气中的第二轴承516。
轴承514的固定部分被附接至结构件590，而轴承516的固定部分被附接至外壳560的内表面。轴承514、516的旋转部分耦接至并且抵靠在圆筒555的外表面上。外部轴承保持件518定位在外壳560的外围的近端，而内部轴承保持件520耦接至圆筒555的外表面。轴承保持件518和520允许一个轴承被移动地附接，以使得其能够在未对准的情况下进行调整。本领域普通技术人员应当认识到，轴承514、516与两个磁流体密封件506a、506b的当前布置仅是示例性的并且在可选实施方式中可以不同。此外，内部轴承保持件520定位在轴承514的远端，而外部轴承保持件518定位在内部轴承保持件520的远端和外壳560的外围的近端。
组件500还包括DC电刷齿轮电机509、滚子链驱动510、以及链512，其中，电机509耦接至靶子组件502，以使子组件502和圆筒555旋转。在实施方式中，结合尺寸为16的DC电刷齿轮电机使用链轮比为5:1的25号尺寸滚子链。在各个实施方式中，基于所需的靶子组件旋转速度和电机尺寸/操作速度或运行力矩判断链轮比。
本领域普通技术人员应当理解的是，X射线产生靶组件500定位在X射线源组件(其整体未示出)的电子源接口524与准直仪550之间，X射线源组件可选地包括用于产生高能电子的线性加速器。
根据本说明书的一方面，通过循环水504冷却靶子组件502，同时通过电机509使得子组件502旋转。在操作中，固定电子束507面向铜体501的外围并且撞击钨环503。在一些实施方式中，电子束507中的电子的能量为6MV或更高的数量级。当电子束507撞击钨环503(通过电机509旋转)时，产生X射线并且通过电子沉积的能量围绕靶的钨环503扩散。因为电机509被附接至链512，链512转而经由链驱动510与靶子组件502耦接，电机509的旋转产生链512的移动，这转而使靶子组件502旋转并且因此使铜体501旋转。在各个实施方式中，可以使用允许从靶轴遥控电机的定时带、连续式电缆、摩擦驱动、一系列的正齿轮或直流正齿轮耦接件、以及任意驱动列代替链512。由于电机509定位在距电子束507的一定距离处并且因此电机感应磁场和电场不干扰电子，所以该实施方式克服了电子轨迹的潜在偏离。
返回参考图5A和图5B，通过经由管道530流入外壳560中、循环、并且使靶子组件502冷却的冷水冷却靶。热水经由管道532流出外壳560。流引导器534被设置成在期望方向上引导水流。在实施方式中，采用至少一个管590来利用水冷却靶外壳或壳体560。可选地，采用三个管590。
本领域普通技术人员应当认识到，上述实施方式仅是本说明书中的靶组件的多个配置的例证。在其他实施方式中，靶材料可以包括纯铜或可以由诸如但不限于钨和铼的组合的其他合适材料制成。此外，如上所述，轴承可以被重新定位并且放置于空气中。可选地，可以采用能够承受力矩负荷的单一轴承(诸如交叉滚子或四点接触轴承)，由此排除对第二轴承的需求。进一步地，可以使用其他液体冷却靶，诸如水和乙二醇混合物，即，适合于其中靶暴露于接近冰冷冻或冰冻温度的条件。在实施方式中，用于冷却靶的水还可以包含缓蚀剂。在实施方式中，靶被诸如光子或氘核的电子之外的粒子束撞击。此外，在各个实施方式中，可以使用不同类型的真空密封件代替磁流体密封件。
图6是示出根据本说明书的实施方式的操作旋转辐射产生靶子组件的步骤的流程图。在步骤602处，辐射产生靶子组件中的靶被旋转。在实施方式中，靶子组件包括支撑含被钎接在铜体中的靶环的靶的铜体。在实施方式中，靶环由钨组成。在实施方式中，通过在被附接至铜体的一组叶片处推动喷水流而使得靶旋转。在另一实施方式中，通过使用与靶子组件耦接的电机使得靶旋转。在实施方式中，电机是包括无刷力矩电机的直流电机驱动。在另一实施方式中，电机包括螺纹式的链轮，链、定时带、摩擦驱动、以及连续式电缆通过链轮移动而使得靶旋转。
在步骤604处，粒子流面向旋转靶而产生辐射。在实施方式中，粒子流是由电子加速器产生的固定电子束，电子束在撞击旋转靶的钨环部分时产生X射线。
在步骤606处，冷却液围绕靶循环，以使得液体与靶的至少一个表面接触，以驱散由粒子流沉积的能量产生的热量，由此降低靶的温度以允许连续操作。在实施方式中，用于使靶旋转的喷水流还用于冷却靶。在各个实施方式中，可以使用诸如但不限于水或水和乙二醇混合物的液体来冷却靶。
在实施方式中，本说明书中的连续操作的旋转X射线产生靶组件可以与诸如但不限于边境管制、海口、商用建筑物、和/或办公场所/办公建筑物的位置中所部署的安全系统进行整合。
上述实施例仅是本发明中的系统的许多应用的例证。尽管本文中仅描述了本发明中的少数实施方式，然而，应当理解的是，在不背离本发明的实质或范围的情况下，本发明可以涵盖多种其他具体的形式。因此，本实施例及实施方式被视为说明性和非限制性，并且本发明可以在所附权利要求的范围内进行修改。

Claims (13)

1.一种大功率辐射产生靶组件，包括：
靶子组件，具有铜体和沿着所述铜体的外围定位的靶，其中，所述靶被粒子流撞击以产生辐射；
多个叶片，定位在所述铜体上；
液体流，推动所述叶片，以使所述铜体旋转和冷却；以及
至少一个耦接件，在旋转时提供真空密封。
2.根据权利要求1所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述粒子流包括撞击旋转靶以产生X射线的电子。
3.根据权利要求2所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述电子的能量为6MV或更高。
4.根据权利要求1所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述靶是由钨制成的环。
5.根据权利要求1所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述靶组件还包括用于在预定方向上引导所述液体流并且用于推动所述多个叶片的一个或多个流引导器。
6.根据权利要求1所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述液体是水。
7.根据权利要求1所述的大功率辐射产生靶组件，其中，所述至少一个耦接件是用于提供真空密封的磁流体耦接件。
8.一种连续操作辐射产生靶组件的方法，包括：
使靶旋转，其中，所述靶形成在铜体的外围上，并且其中，使用用于产生旋转的机构使所述靶旋转；
使粒子流撞击旋转靶以产生辐射；并且
使冷却液围绕所述靶循环，使得液体始终与所述靶的至少一个表面接触，以驱散由撞击的粒子流产生的热量，由此冷却所述靶以允许连续操作，其中，所述靶组件包括提供真空密封的耦接件；
其中，用于使所述靶旋转的所述机构包括被附接至所述铜体的多个叶片，其中，所述叶片被所述冷却液的喷流推动，由此使所述靶旋转。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粒子流是撞击旋转靶以产生X射线的电子束。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，电子的能量为6MV或更高。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述靶是由钨制成的环。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述冷却液是水。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述耦接件是用于为水密封提供真空的磁流体耦接件。
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