CN110690092B - 一种金属相变控温的x射线球管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属相变控温的X射线球管，包括阴极灯丝、球管和阳极金属靶，还包括金属相变模块和次级散热器，所述金属相变模块与所述阳极金属靶接触且位于所述球管的内部，所述次级散热器与所述金属相变模块接触且位于所述球管的外部，所述金属相变模块吸收所述阳极金属靶的热量，再通过所述次级散热器散热。本发明提供的X射线球管利用金属相变材料良好的导热性和较大的固液相变潜热，实现大功率高热流密度阳极金属靶的散热，在工作中将阳极金属靶的温度控制在合适的范围，有利于提高X射线球管的工作寿命和稳定性。

Description

一种金属相变控温的X射线球管
技术领域
本发明涉及X射线球管领域，更具体地，涉及一种金属相变控温的X射线球管。
背景技术
X射线球管是利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的真空电子器件。在结构探伤、晶体结构表征、医学诊断和疾病治疗等方面有着广泛的应用。利用X射线对肌肉、骨骼等不同组织的穿透能力不同，可以进行身体透视检查和疾病诊断；此外，由于X射线对细胞有破坏作用，可以治疗癌症；工业上，常使用X射线检查金属铸件的内部情况，保证产品的品质。
X射线球管的要求是焦点小、强度大，以形成较大的功率密度，当高能电子轰击阳极靶材，电子动能1％转化为X射线，99％转化为热量。因此，X射线球管工作时温度很高，需要对阳极靶材进行冷却。随着大功率高性能X射线球管不断发展，散热问题也更加严峻，甚至已经成为制约X射线球管发展的主要障碍。
避免阳极过热的方法是对阳极或管子采取不同方式的散热冷却，以降低焦斑处的温度。目前，主要的散热方式包括辐射散热、风冷散热、水冷散热和旋转阳极靶散热。辐射散热是一种被动散热方式，通过高温X射线管自发向空气辐射散热，温度越高，散热能力越强，随着X射线管功率增加，其自身温度会更高，从而给球管带来损坏的风险；风冷散热是在X射线管外面进行强制对流风冷散热，尽管这种方法优于辐射散热，但是其散热功率依然有限，只能用于小功率球管散热；水冷散热是利用水循环流动及时带走整个X射线管或局部阳极靶的热量，水冷散热的散热能力强，可用于较大功率球管散热，但是由于高能电子长时间轰击阳极很小的区域，依然存在阳极靶损坏的风险；为进一步提升散热功率和增加阳极靶的寿命，人们提出了旋转阳极X射线管，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X射线管需要旋转轴承支撑，考虑到轴承存在间隙，热量很难传导出去，轴承承受很高的温度。因此，旋转阳极散热相当于把散热难度从阳极靶转移到了轴承，并没有从根本上解决散热。此外，旋转阳极X射线管存在发生机械故障的风险。因此，为了应对高性能X射线球管的散热挑战，急需一种新的散热方式能够快速吸收阳极靶的热量，并及时将热量带出X射线管。
液态金属作为高导热的热管理材料，近年来逐渐被用于X射线管散热。在现有的专利报道中，有的提出使用液态金属代替冷却水，进行对流冷却在旋转阳极X射线管的轴承内流动带走热量；有的使用液态金属热界面材料作为液态金属轴承润滑剂，将热量及时导出轴承；也有人提出使用液态金属循环流动进行热扩展，降低阳极靶温度。然而，这些方法在灵活性和成本上仍显不足。因此，需要提供一种更加简便高效的X射线球管。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种金属相变控温的X射线球管。
本发明提供一种金属相变控温的X射线球管，包括阴极灯丝、球管和阳极金属靶，还包括金属相变模块和次级散热器，所述金属相变模块与所述阳极金属靶接触且位于所述球管的内部，所述次级散热器与所述金属相变模块接触且位于所述球管的外部，所述金属相变模块吸收所述阳极金属靶的热量，再通过所述次级散热器散热。
进一步地，所述金属相变模块包括壳体和填充在所述壳体内的金属相变材料。所述金属相变材料在所述金属相变模块吸收热量后由固态变成液态，再在所述次级散热器散热后由液态变成固态。所述壳体的材质为金属或陶瓷材质。
进一步地，当所述壳体的材质与所述阳极金属靶的材质不同时，为了减小界面接触热阻，所述阳极金属靶与所述壳体直接焊接。
进一步地，所述壳体为内肋结构，增加传热面积。
进一步优选地，所述壳体为无氧铜材质，内部填充泡沫铜，所述金属相变材料填充于所述泡沫铜的空隙中。
进一步地，当所述壳体的材质与所述阳极金属靶的材质相同时，所述阳极金属靶与所述壳体一体成型。此时避免了阳极金属靶与金属相变模块之间的焊接或其它连接方式，壳体即为阳极金属靶。
进一步地，本发明中的所述金属相变模块也可以为金属相变材料本体，所述阳极金属靶的材质为金属相变材料。即所述金属相变模块不包括壳体，所述阳极金属靶与所述金属相变模块材质相同，可一体成型。
进一步地，所述金属相变材料为高热导率固液相变材料，包括但不限于镓基合金、铋基合金、铝基合金、铜基合金或以金属为原料制备的相变熔融盐。
其中，所述镓基合金选自镓铟合金、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，所述铝基合金选自铝镁合金、铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金、铝硅镁合金、铝铜镁合金、铝镁锌合金、铝铜镁锌合金中的一种，所述铜基合金选自铜锌合金、铜镍合金中的一种。优选地，所述金属相变材料为铋铟锡共晶合金。
进一步地，所述次级散热器与所述金属相变模块之间采用机械压接，并通过热界面材料紧密贴合。
进一步地，所述次级散热器为辐射散热器、翅片、热管、热电冷却器和液冷散热器中的一种或多种。
本发明还提供上述X射线球管在制备X射线发生器件中的应用。
本发明提供的X射线球管利用金属相变材料良好的导热性和较大的固液相变潜热，实现大功率高热流密度阳极金属靶的散热，在工作中将阳极金属靶的温度控制在合适的范围，有利于提高X射线球管的工作寿命和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的X射线球管的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的X射线球管局部的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的X射线球管局部的结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的X射线球管局部的结构示意图；
图5为本发明实施例4提供的X射线球管局部的结构示意图；
图中，1-阴极灯丝；2-玻璃球管；3-阳极金属靶；4-金属相变模块；41-壳体；42-金属相变材料；5-次级散热器。
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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1～图2是本实施例提供的一种金属相变控温的X射线球管的结构示意图。阴极灯丝1、阳极金属靶3和金属相变模块4位于玻璃球管2内部，次级散热器5位于玻璃球管2外部；高能电子从阴极灯丝1发射，高速撞击阳极金属靶3，少部分能量转化为X光，绝大部分能量转化为热量；阳极金属靶3温度升高，并将热量传递至金属相变模块4；金属相变模块4由壳体41和填充在壳体41内的金属相变材料42构成，金属相变模块4吸热，金属相变材料42由固态变成液态，储存热量；再通过次级散热器5将金属相变模块4的热量带出到空气中，金属相变材料42由液态恢复到固态。
本实施例中，阳极金属靶3为钨合金，次级散热器5采用水冷散热器。阳极金属靶3与金属相变模块4之间有一层焊接层6；金属相变模块4与次级散热器5之间采用机械压接，中间涂抹导热硅脂。壳体41采用内肋结构，增加传热面积，内部填充金属相变材料42用于吸收热量。壳体41为陶瓷材料，金属相变材料42为铋铟锡共晶合金。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例中，为了避免阳极金属靶3与金属相变模块之间的焊接，金属相变模块的壳体采用与阳极金属靶3一样的材质，即壳体即为阳极金属靶3，内部填充金属相变材料42，本实施例X射线球管的局部结构示意图如图3所示。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例中，取消了传统的钨合金阳极金属靶，金属相变材料42直接作为阳极金属靶，既可以作为产生X射线的靶材，也可以作为吸热材料，本实施例X射线球管的局部结构示意图如图4所示。使用过程中，金属相变材料42水平放置，高能电子垂直入射，确保金属相变材料42相变后不会因重力流下；X射线球管间歇式工作，当金属相变材料42凝固后可以重新工作。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例中，为了减少系统的复杂性，以翅片散热器作为次级散热器5，本实施例X射线球管的局部结构示意图如图5所示。
最后，本发明的实施例仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属相变控温的X射线球管，包括阴极灯丝、球管和阳极金属靶，其特征在于，还包括金属相变模块和次级散热器，所述金属相变模块与所述阳极金属靶接触且位于所述球管的内部，所述次级散热器与所述金属相变模块接触且位于所述球管的外部，所述金属相变模块吸收所述阳极金属靶的热量，再通过所述次级散热器散热；
所述金属相变模块包括壳体和填充在所述壳体内的金属相变材料，所述壳体的材质与所述阳极金属靶的材质相同，所述阳极金属靶与所述壳体一体成型，所述阳极金属靶为钨合金，所述金属相变材料为铋铟锡共晶合金。
2.根据权利要求1所述的X射线球管，其特征在于，所述金属相变模块为金属相变材料本体，所述阳极金属靶的材质为金属相变材料。
3.根据权利要求1所述的X射线球管，其特征在于，所述次级散热器与所述金属相变模块之间采用机械压接，并通过热界面材料紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的X射线球管，其特征在于，所述次级散热器为辐射散热器、翅片、热管、热电冷却器和液冷散热器中的一种或多种。
5.权利要求1～4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。
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