CN111146055A - X射线管、医疗成像设备及x射线管制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线管，阴极头上与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆有金属涂层，金属涂层材料的真空功函大于阴极头材料的真空功函；及/或，金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。本发明提供的X射线管，能够抑制X射线管的阴极头持续高压打火；金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa，阴极头发生高压打火时，金属涂层能够保护阴极头表面不会被损坏，避免因高压打火加大阴极头表面粗糙度而引起的持续打火，利于X射线管的正常使用。本发明还提供一种医疗成像设备，包括上述的X射线管，进而减少医疗成像设备的返修率。本发明还一种X射线管制造方法。本发明提供的X射线管制造方法，能够有效减小X射线管的高压打火率。

Description

X射线管、医疗成像设备及X射线管制造方法

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，特别涉及一种X射线管、医疗成像设备及X射线管制造方法。

背景技术

X射线管是一种高真空器件，能够应用于医学设备中，其基本原理为利用阴极的热发射电子书在高压电场的作用下高速飞向阳极靶面，靶面受电子轰击，产生X射线。在医疗领域中X射线能够检测人体组织，进而帮助医生判断患者的病情状况。

现有X射线管通常处于高压的工况下，X射线管的阴极头的微观表面凹凸不平，致使阴极头表面极易发生场致发射，即X射线管极易发生高压打火，高压打火会破坏阴极头表面，使得阴极头表面的粗糙度加重，进而导致持续发生发生高压打火的恶性循环，不利于X射线管的使用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种X射线管、医疗成像设备及X射线管制造方法，降低X射线管在高压下的打火率，具有广泛的应用前景。

本发明提供一种X射线管，包括电子发射体以及围设所述电子发射体的阴极头，其特征在于，所述阴极头上与所述电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆有金属涂层，所述金属涂层材料的真空功函大于所述阴极头材料的真空功函；及/或，

所述金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。

本发明提供的X射线管，金属涂层涂覆在阴极头上，金属涂层的真空功函大于阴极头的真空功函，从而使得阴极头发生电子逸出需要高于自身的电子逸出功，进而能够抑制X射线管的阴极头持续高压打火；金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa，阴极头发生高压打火时，金属涂层的强度较高能够保护阴极头表面不会被损坏，同样能够避免因高压打火加大阴极头表面粗糙度而引起的持续打火，减小阴极头高压打火率，从而有利于X射线管的正常使用，同时提高X射线管的使用寿命。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

在其中一种实施方式中，所述金属涂层材料的真空功函大于所述阴极头材料的真空功函，所述阴极头为镍基阴极头，所述金属涂层的真空功函大于5.15电子伏特。

如此设置，金属涂层的真空功函大于5.15电子伏特，即金属涂层的真空功函大于镍基阴极头的真空功函，从而使得金属涂层能够起到抑制高压打火的效果。

在其中一种实施方式中，为使得金属涂层的真空功函满足要求，所述金属涂层为钨涂层，且所述钨涂层的晶格方向为[110]。

如此设置，钨涂层具有较高的真空功函，且钨涂层的真空功函大于阴极头的真空功函，进而能够有效防止阴极头电子逸出，有利于抑制X射线管的高压打火，同时选取晶格方向为[110]的钨涂层，能够保证钨涂层具有最高的真空功函，有利于减少X射线管的高压打火率。

在其中一种实施方式中，为使得钨涂层能够具有较好的抑制效果，所述钨涂层的厚度为100微米至500微米。

如此设置，钨涂层100微米至500微米能够保证X射线管正常发射电子的同时，使得钨涂层具有较好抑制X射线管高压打火的效果。

在其中一种实施方式中，为提高钨涂层的使用稳定性，所述钨涂层的纯度至少为99.99％。

如此设置，较高纯度的钨涂层具有较好稳定性，有利于进一步提高抑制X射线管高压打火的效果，进而降低打火率。

在其中一种实施方式中，为了有效抑制阴极头电子逸出，所述阴极头上具体与所述电子发射体相对的第一侧面以及第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面分别位于所述电子发射体相对的两侧；所述第一侧面与所述第二侧面上均涂覆有所述金属涂层。

如此设置，第一侧面及第二侧面均涂覆有金属涂层，从而使得金属涂层的涂覆范围更广，有利于金属涂层更好地发挥作用，进一步有利于抑制X射线管高压打火。

在其中一种实施方式中，为保护阴极头的表面，所述金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa；所述金属涂层为钨-钼合金涂层、钨-铼合金涂层以及铼-铱合金涂层中的其中一种。

如此设置，将金属涂层设置为钨-钼合金涂层、钨-铼合金涂层以及铼-铱合金涂层中的其中一种，能够保证金属涂层具有较高的强度及较好的抗热冲击性，从而发生高压打火时防止阴极头表面被破坏，避免因阴极头破损而增加电子逸出，有利于X射线管的正常使用。

本发明还提供一种医疗成像设备，包括上述的X射线管。

本发明的医疗成像设备，通过设置上述的X射线管，减少医疗成像设备的返修率，提高医疗成像设备的使用寿命，具有较好的应用前景。

本发明还一种X射线管制造方法，所述X射线管制造方法包括：

在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层；

将阴极头、电子发射体以及阳极组件装配至管壳内；

其中，所述金属涂层材料的真空功函大于所述阴极头材料的真空功函；及/或，所述金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。

本发明提供的X射线管制造方法，能够有效减小X射线管的高压打火率，有利于X射线管的正常使用。

在其中一种实施方式中，为保证金属涂层具有较好的强度和优异的物理化学性能，所述在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层的步骤包括：

通过气相沉积法在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层。

如此设置，得到的金属涂层具有较好的强度和物理化学性能，适用于X射线管高压的工况，有利于抑制X射线管的高压打火。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中的X射线管的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式中提供的X射线管制造方法的流程示意图；

图3为本发明另一种实施方式中提供的X射线管制造方法的流程示意图。

主要元件符号说明

X射线管	100
		壳体	10
内腔	11
		阴极组件	20
电子发射体	21
		阴极头	22
第一侧面	221
		第二侧面	222
第三侧面	223
		阳极组件	30
金属涂层	40

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，图1为本发明一种实施方式中的X射线100的结构示意图。本发明提供一种X射线管100，X射线管100用于发射X射线，其能够利用加速后的电子撞击金属靶，通过电子在撞击过程中的动能损失将电子的部分能量(约为其中的1％)以光子的形式放出(制动辐射)，从而发射出具有连续X光光谱的X射线。又或者通过电子对金属原子内层电子的撞出以使得原子的外层电子能够向内层跃迁(特性辐射)，从而发射出具有特性X光光谱(特性辐射)的X射线。

本实施方式中，X射线管100应用至医学成像设备中，通过X射线检测人体组织，进而帮助医生判断患者的病情状况；其既可以用于单模态的医学成像设备的X射线发射，如CT机、CR机以及DR机等；还可以用于多模态医疗成像设备的X射线发射，如PET/CT机等。

可以理解，本发明并不限制X射线管100仅能够应用至医学成像设备中；在其他的实施方式中，X射线管100还可以应用工业探伤、结构分析、光谱分析、X射线卫星导航等领域中。

X射线管100包括壳体10、阴极组件20及阳极组件30，壳体10内部开设有真空的内腔11，阴极组件20及阳极组件30均设置在真空的内腔11中，且阴极组件20与阳极组件30相对设置，阴极组件20用于发射电子束，阳极组件30用于承受阴极组件10发射的电子束。阴极组件20的电子束在壳体10所提供的真空空间下以低损耗的状态传输，并在外加电场的作用下经过加速轰击至阳极组件30的表面，利用特性辐射或者制动辐射的原理发射出X射线。

值得说明的是，上述“壳体10内部开设有真空的内腔11”指的是壳体10内部形成的空间的真空度低于1.333×10^-1帕(Pa)至1.333×10^-6帕(Pa)，即壳体10形成的内腔为高真空状态，并非传统意义上无法实现的绝对真空。

阴极组件20包括电子发射体21及阴极头22，阴极头22围设电子发射体21，电子发射体21在高压的作用下能够发射电子束，阴极头22用于固定及保护电子发射体21；同时阴极头22能够均衡电子发射体21上的电压，保证电子发射体21正常发射电子束。

阴极头22具有第一侧面221、第二侧面222及第三侧面223，第一侧面221与第二侧面222分别位于电子发射体21相对的两侧，第三侧面223连接第一侧面221及第二侧面222。

阴极头22的微观表面凹凸不平，致使阴极头22表面极易发生场致发射，即X射线管100极易发生高压打火，且高压打火会破坏阴极头22表面，使得阴极头22表面的粗糙度加重，进而导致持续发生高压打火的恶性循环，不利于X射线管100的使用。

值得说明的是，上述“阴极头22表面极易发生场致发射”指的是，阴极头22表面本身具有曲率半径很小的尖端，即阴极头22表面不平整，在高压的工况下，曲率半径很小的尖端会形成较强的电场，使得阴极头22材料内的大量电子逸出，进而出现高压打火现象。

本发明针对上述问题还做了如下改进，阴极头22上与电子发射体21相对的至少一个侧面上涂覆有金属涂层40，金属涂层40的真空功函大于阴极头22材料的真空功函；如此设置，由于金属涂层40的真空功函大于阴极头22材料的真空功函，阴极头22表面曲率半径很小的尖端逸出电子时需要更高的逸出功，从而达到抑制阴极头22表面高压打火的现象，有利于X射线管100正常使用，延长X射线管100的使用寿命。

值得说明的是，“功函”指的是电子要脱离原子必须从费米能级跃迁到真空静止电子(自由电子)能级，这一跃迁所需要的能量叫功函；“真空功函”为是真空状态下的“功函”，即在真空工况下电子脱离院子由费米能级跃迁到真空静止电子(自由电子)能级所需要的能量；“真空功函”越小，代表电子跃迁时需要的逸出功越小，“真空功函”越大，代表电子跃迁时需要的逸出功越大。

金属涂层40即可为金属的涂层，也可为合金的涂层，只要该涂层的真空功函大于阴极头材料的真空功函即可。

阴极头22为镍基阴极头，镍基阴极头具有较好的真空性能，同时具有较好的延展性及韧性，能够更好地进行发射电子束。在本实施方式中，金属涂层40材料的真空功函大于5.15电子伏特；如此设置，由于镍基阴极头的真功功函为5.15电子伏特，金属涂层40的真空功函设置在此数值范围能够抑制阴极头22表面的电子逸出，减小阴极头22的高压打火率，从而延长X射线管100的使用寿命。

可以理解，当阴极头22采用其他材料时，在其他实施方式中，金属涂层40材料的真空功函也可为其他数值，只要能够抑制阴极头22发生高压打火即可。

在本实施方式中，金属涂层40为钨涂层，钨涂层具有优异的高温蠕变性能和高温导电性能，同时适用于高真空环境中，且钨涂层的真空功函为5.35电子伏特，大于镍基阴极头的真空功函，从而钨涂层能够抑制镍基阴极头表面的电子逸出，从而抑制高压打火；可以理解，在其他实施方式中，金属涂层40也可选取为铱涂层或铂涂层等其他金属涂层，只要其他金属涂层的真空功函大于5.15电子伏特即可。

在本实施方式中，钨涂层的晶格方向为[110]，选取晶格方向为[110]的钨涂层能够保证钨涂层具有最高的真空功函，进一步有利于抑制阴极头22表面发生高压打火，延长X射线管100的使用寿命。

钨涂层的厚度为100微米至500微米，钨涂层厚度设置在此范围内能够防止厚度过小而导致的无法抑制打火现象，同时避免钨涂层的厚度过大而影响电子发射体21正常发射电子束。

在本实施方式中，钨涂层的厚度为200微米，在保证不影响电子发射体21正常发射电子的情况下，进而能够达到最好的抑制高压打火效果；可以理解，在其他实施方式中，根据不同工况，钨涂层的厚度也可设置为其他数值，只要能够达到上述目的即可。

钨涂层的纯度至少为99.99％，此纯度范围内的钨涂层具有较高的纯度，钨涂层稳定性较好，有利于进一步提高抑制阴极头22高压打火的效果，进而降低X射线管100的高压打火率。

为抑制X射线管100的阴极头22持续高压打火，金属涂层40材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa，如此设置能够使得阴极头22发生高压打火后，由于金属涂层40的强度相对较高，高压打火产生的热量及强度均不会影响阴极头22表面，从而避免高压打火后阴极头22表面被破坏而导致的持续发生高压打火现象，同样能够减小X射线管100的高压打火率，有利于提高X射线管100的使用寿命。

申请人在进行深入的研究后发现，X射线管在发生高压打火现象时所爆发的能量将不仅仅产生极高的温度，还会伴随着着极高的冲击力。基于对上述打火现象的理解上的进步，本发明不仅保证了金属涂层40的熔点以满足高温性能，还同时保证了金属涂层40的屈服强度以满足抗冲击性能。

本发明提高了对传统高压打火现象的理解深度，克服了技术偏见，通过同时限制金属涂层40的熔点与屈服强度从而避免高压打火后阴极头22表面被破坏。

下面简要介绍下在模拟X射线管管芯极端工况情况下，对具有不同熔点与屈服强度的金属涂层40做对比试验。

实验次数	屈服强度	熔点	表面破坏结果
				一	低于550MPa	高于2600°	表面出现凹坑
二	高于550MPa	低于2600°	表面出现熔蚀痕迹
				三	高于550MPa	高于2600°	无明显破坏痕迹

当设置的金属涂层材料的熔点低于2600℃左右时仍会存在金属涂层熔化的现象，金属涂层无法起到相应的保护作用；金属涂层材料的熔点2600℃大于高压打火产生的最高温度，进而能够有效防止高压打火导致的金属涂层熔化，有利于金属涂层保护阴极头。

屈服强度低于550MPa的金属涂层材料无法满足强度要求，金属涂层材料的屈服强度550MPa将大于高压打火时作用于金属涂层材料表面的屈服应力；在高压打火时，屈服强度为550MPa的金属涂层材料不会发生塑性变形，即屈服强度为550MPa的金属涂层材料不会被破坏，进而能够起到保护阴极头的作用。

从上述的三次实验可以看出，需要同步保证金属涂层40的屈服强度以及熔点才可以完善地防止金属涂层40被高压打火所破坏。

可以理解，为了进一步保障金属涂层40的性能，金属涂层40还可以选择熔点为2800°以上、屈服强度600MPa的材料，此时金属涂层40的抗高压打火性能更佳。

为保证金属涂层40材料满足上述强度要求，金属涂层40材料可选取为钨-钼合金涂层、钨-铼合金涂层以及铼-铱合金涂层中的其中至少一种，钨-钼合金涂层、钨-铼合金涂层及铼-铱合金涂层均的熔点均高于2600℃，屈服强度均高于550MPa，从而避免X射线管持续打火，有利于X射线管正常使用。

在本实施方式中，第一侧面221与第二侧面222上均涂覆有金属涂层40，由于第一侧面221与第二侧面222相对靠近电子发射体21，第一侧面221与第二侧面222起到均压作用较大，第一侧面221与第二侧面222相对第三侧面223较易出现高压打火现象，如此设置能够减小X射线管100的高压打火率，有利于保证X射线正常工作；可以理解，在其他实施方式中，根据不同工况，第一侧面221、第二侧面222及第三侧面223可均涂覆有金属涂层40，或其中两者涂覆有金属涂层40，或其中一者涂覆有金属涂层40，只要能够满足相应工况下抑制X射线管100高压打火即可。

本发明提供的X射线管100，金属涂层40涂覆在阴极头22上，金属涂层40的真空功函大于阴极头22的真空功函，从而使得阴极头22发生电子逸出需要高于自身的电子逸出功，进而能够抑制X射线管100的阴极头22持续高压打火；金属涂层40材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa，阴极头22发生高压打火时，金属涂层40的强度较高能够保护阴极头22表面不会被损坏，同样能够避免因高压打火加大阴极头22表面粗糙度而引起的持续打火，减小阴极头22高压打火率，从而有利于X射线管100的正常使用，同时提高X射线管100的使用寿命。

本发明还提供一种医疗成像设备，包括电源、控制台、高压发生器及上述的X射线管100，控制台连接于电源，高压发生器连接于控制台，X射线管100连接于高压发生器；电源为各器件提供电力支持，控制台用于将供电网络单一的输入电压变为可调的电压以满足不同器件对电源的不同需求，高压发生器用于提升电压并整流输出，为X射线管100提供直流高压，X射线管100用于发射X射线。

本发明提供的医疗成像设备，通过设置上述的X射线管，能够减小高压打火率，进而减小医疗成像设备的返修率，有利于医疗成像设备的正常使用。

请一并参阅图2，图2为本发明一种实施方式中提供的X射线管制造方法的流程示意图。本发明还提供一种X射线管制造方法，X射线管包括阴极组件及与阴极组件相对的阳极组件，阴极组件包括电子发射体和阴极头，阴极头围设电子发射体，X射线管制造方法包括：

在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层。具体地，金属涂层可采用喷镀法、电镀法、烧蓝法或氧化法等方法涂覆在阴极头的至少一个侧面上。

将阴极头、电子发射体以及阳极组件装配至管壳内。具体地，阴极头、电子发射体及阳极组件的安装顺序可随意进行排列，只要能够保证杨机头、电子发射体及阳极组件能够顺利安装至管壳内即可

其中，金属涂层材料的真空功函大于所述阴极头材料的真空功函；及/或，金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。

本发明提供的X射线管制造方法，金属涂层的设置能够减小高压下阴极头的高压打火，进而有效减小X射线管的高压打火率，有利于X射线管的正常使用。

请一并参阅图3，图3为本发明另一种实施方式中提供的X射线管制造方法的流程示意图。在本发明的另一种实施方式中，在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层中的步骤包括：

通过气相沉积法在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆所述金属涂层。

采用气象沉积法能够使得得到的金属涂层具有较好的物理及化学性能，进而有利于防止高压打火时金属涂层被破坏，进一步有效限制X射线管持续高压打火。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种X射线管(100)，包括电子发射体(21)以及围设所述电子发射体(21)的阴极头(22)，其特征在于，所述阴极头(22)上与所述电子发射体(21)相对的至少一个侧面上涂覆有金属涂层(40)，所述金属涂层(40)材料的真空功函大于所述阴极头(22)材料的真空功函；及/或，

所述金属涂层(40)材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。

2.如权利要求1所述的X射线管(100)，其特征在于，所述金属涂层(40)材料的真空功函大于所述阴极头(22)材料的真空功函，所述阴极头(22)为镍基阴极头，所述金属涂层(40)的真空功函大于5.15电子伏特。

3.如权利要求2所述的X射线管(100)，其特征在于，所述金属涂层(40)为钨涂层，且所述钨涂层的晶格方向为[110]。

4.如权利要求3所述的X射线管(100)，其特征在于，所述钨涂层的厚度为100微米至500微米。

5.如权利要求3所述的X射线管(100)，其特征在于，所述钨涂层的纯度至少为99.99％。

6.如权利要求1所述的X射线管(100)，其特征在于，所述阴极头(22)上具体与所述电子发射体(21)相对的第一侧面(221)以及第二侧面(222)，所述第一侧面(221)与所述第二侧面(222)分别位于所述电子发射体(21)相对的两侧；所述第一侧面(221)与所述第二侧面(222)上均涂覆有所述金属涂层(40)。

7.如权利要求1所述的X射线管(100)，其特征在于，所述金属涂层(40)材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa；所述金属涂层(40)为钨-钼合金涂层、钨-铼合金涂层以及铼-铱合金涂层中的其中一种。

8.一种医疗成像设备，包括X射线管，其特征在于，所述X射线管为权利要求1至7中任意一项所述的X射线管(100)。

9.一种X射线管制造方法，其特征在于，所述X射线管制造方法包括：

在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层；

将阴极头、电子发射体以及阳极组件装配至管壳内；

其中，所述金属涂层材料的真空功函大于所述阴极头材料的真空功函；及/或，所述金属涂层材料的熔点高于2600℃，且屈服强度高于550MPa。

10.如权利要求9所述的X射线管制造方法，其特征在于，所述在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆金属涂层的步骤包括：

通过气相沉积法在阴极头与电子发射体相对的至少一个侧面上涂覆所述金属涂层。

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