CN111415852B - X射线管的阳极组件、x射线管及医疗成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及X射线管的阳极组件、X射线管及医疗成像设备。一种X射线管的阳极组件，包括第一基体，所述第一基体的一端具有靶面；所述靶面包括散热区及轨道区，所述散热区位于所述轨道区的周向，且所述散热区铺设有第一石墨烯层。本发明的优点在于：通过在所述散热区铺设第一石墨烯层，能够提高X射线管的阳极组件的散热能力，以及降低二次电子的打火率，提高X射线管的阳极组件的使用寿命，同时，可使获得清晰的图像，避免造成图像的二次伪影。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及X射线管的阳极组件、X射线管及医疗成像设备。
背景技术
在X射线管中，X射线是由高速电子撞击阳极靶盘产生，因X射线具有波长短、能量大、穿透力强等优点，从而被广泛地应用于医学成像设备中。X射线管包括阳极组件，阳极组件能够阻挡高速运动的电子流而产生X射线，同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去。
现有的X射线管的阳极组件散热率低，热量聚集在靶面上，容易造成靶面温度过高而开裂；同时，靶盘的散热不及时，增加了靶面的打火几率，从而缩短X射线管的阳极组件的寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种X射线管的阳极组件，技术方案如下：
一种X射线管的阳极组件，包括第一基体，所述第一基体的一端具有靶面；所述靶面包括散热区及轨道区，所述散热区位于所述轨道区的周向，且所述散热区铺设有第一石墨烯层。
本发明提供的一种X射线管的阳极组件，通过在所述散热区铺设第一石墨烯层，利用石墨烯具有高导热系数及高辐射系数的特性，能够及时将所述X射线管的阳极组件的热量向外进行辐射出去，从而提高所述X射线管的阳极组件的散热能力，以及降低二次电子的打火率，提高所述X射线管的阳极组件的使用寿命；同时，击打在所述第一石墨烯层上的二次电子产生的X射线的硬度较低，较低硬度的X射线容易被过滤掉，不会在成像中起作用，可使获得清晰的图像，避免造成图像的二次伪影。
在本发明的一个实施方式中，所述散热区包括第一区及第二区，所述第一区与外部辅助组件相对设置，且所述第一石墨烯层铺设于所述第二区内。
如此设置，可保护与所述第一区相对的所述外部辅助组件，在垂直于所述靶面的方向上，所述第一石墨烯层的辐射强度较大，在所述第一区上不铺设所述第一石墨烯层，达到保护与第一区相对的所述外部辅助组件的目的，可防止所述第一石墨烯层对所述外部辅助组件进行轴向辐射，避免所述外部辅助组件的热量过高而损坏。
在本发明的一个实施方式中，所述X射线管的阳极组件还包括第二基体，所述第一基体的另一端具有与所述靶面相背设置的安装面，所述第二基体安装于所述安装面，且所述第二基体的侧面及远离所述第一基体的端面铺设有第二石墨烯层。
如此设置，所述轨道区产生的热量，一部分传递给所述第一石墨烯层进行辐射，一部分传递给所述第二基体，传递给所述第二基体的一部分热量经所述第二石墨烯层向外辐射，以加强所述X射线管的阳极组件的散热性能。
在本发明的一个实施方式中，所述散热区的第一石墨烯层延伸至所述第一基体的周侧面，并将所述第一基体的周侧面覆盖；或者，所述第一基体的周侧面铺设有所述第二石墨烯层。
如此设置，可进一步加大所述X射线管的阳极组件的辐射面积，加强散热性能。
在本发明的一个实施方式中，所述X射线管的阳极组件还包括转子，所述转子包括相互连接的第一部及第二部，所述第一部依次连接于所述第一基体及所述第二基体，所述第二部的外侧面沿所述转子的周向铺设有所述第二石墨烯层。
如此设置，所述轨道区产生的热量，一部分传递给所述第一石墨烯层进行辐射，一部分传递给所述第二基体，传递给所述第二基体的一部分热量经第二石墨烯层向外辐射，另一部分热量传递给所述转子，再由所述转子外侧面的所述第二石墨烯层向外进行辐射，可加强所述X射线管的阳极组件的散热性能。
在本发明的一个实施方式中，其特征在于，所述第一石墨烯层及所述第二石墨烯层厚度范围在1-100um之间。
如此设置，既可增强所述X射线管的阳极组件的散热性能，又能够降低成本。若所述第一石墨烯层及所述第二石墨烯层设置得太薄，会降低散热性能，设置得太厚，则会增加成本。
在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨烯层的粗糙度小于或等于0.2um，且所述第一石墨烯层的粗糙度小于所述第二石墨烯层的粗糙度。
如此设置，粗糙度较大的所述第二石墨烯层能够辐射面积，增加散热性能，较为平滑的所述第一石墨烯层能够防止二次电子击打在所述第一石墨烯层上时发生尖端打火。
在本发明的一个实施方式中，所述第一石墨烯层及所述第二石墨烯层为单层的纳米石墨烯，或者，由多层纳米石墨烯叠加而成。
本发明还提供如下技术方案：
一种X射线管，所述X射线管包括阴极组件及上述的X射线管的阳极组件，所述阴极组件能够向所述X射线管的阳极组件发射电子束。
本发明还提供如下技术方案：
一种医疗成像设备，所述医疗成像设备包括上述的X射线管。
附图说明
图1为本发明提供的X射线管的阳极组件的剖视图；
图2为X射线管的阳极组件的局部结构剖视图；
图3为X射线管的阳极组件的靶盘的局部剖视图；
图4为X射线管的部分结构示意图。
图中各符号表示含义如下：
100、X射线管；10、X射线管的阳极组件；11、阳极靶盘；111、第一基体；112、靶面；1121、轨道区；1122、散热区；1123、第一石墨烯层；113、安装面； 114、第二基体；1141、第二石墨烯层；115、台阶；12、转子；121、第一部； 122、第二部；20、阴极组件；21、灯丝。
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。
请一并参阅图1至图2，图1为本发明提供的X射线管的阳极组件10的结构剖视图，图2为X射线管的阳极组件10的局部结构剖视图。
本发明提供一种X射线管的阳极组件10(以下简称阳极组件)，用于承受受高速电子轰击，以产生X射线。可以理解的是，X射线因其能量大、穿透力强等特点，广泛地应用于工业、生物、医疗等领域，例如，利用X射线成像技术进行物证鉴定、利用X射线成像技术辅助进行疾病诊断等。
本实施例中，X射线管的阳极组件10应用于医疗成像领域，例如应用于电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)球管中，利用X射线对待检测物体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描，当X射线射向待检测物体组织时，部分X射线被组织吸收，部分X射线穿过待检测物体被探测器(图未示)接收，从而产生信号，进行成像。在另外的实施例中，X射线还可应用于工业、航天等其他领域，本发明并不限定X射线管的阳极组件10的应用领域，只要需要使用X射线的场合即可。需要解释的是，待检测物体可为人体或动物体。
请参阅图1，阳极组件10包括阳极靶盘11，阳极靶盘11用于承受高速电子的轰击，以产生X射线。
具体地，阳极靶盘11包括第一基体111及第二基体114，第二基体114与第一基体111相互连接，第一基体111远离第二基体114的一端具有靶面112，靶面112与阴极组件20相对设置，靶面112包括轨道区1121，阴极组件20朝向轨道区1121快速地发射电子束，轨道区1121接受电子束的撞击产生X射线。阳极组件10可为固定阳极组件或旋转阳极组件，当阳极组件10为旋转阳极组件时，轨道区1121为环形状，以使阴极组件20发射出的电子/电子束能够撞击该轨道区1121。
可以理解，阴极组件20轰击轨道区1121产生的温度高达两千多摄氏度，这对于阳极组件10的散热性能具有很高的要求，且部分电子被轨道区1121反射形成二次电子，二次电子中的一部分电子轰击非轨道区1121，若阳极组件10 的散热不及时，会提高二次电子轰击非轨道区1121时的打火几率，打火会造成 X射线管100损坏；同时，靶面112温度过高会造成靶面112开裂，影响阳极组件10的使用寿命。
因此，作为优选地，为提高阳极组件10的散热效率，本发明的阳极组件10 的靶面112包括散热区1122，散热区1122位于轨道区1121的周向，通过在散热区1122铺设第一石墨烯层1123，以提高第一基体111的散热能力，从而降低靶面112的打火率，提高阳极组件10的使用寿命；同时，由于石墨烯的原子序数较低，二次电子击打在第一石墨烯层1123上产生的X射线的硬度较低，低硬度的X射线容易被过滤掉，不在成像中起作用，可提高图像的清晰度。
可以理解的是，石墨烯的热辐射系数的范围为0.96～0.98，且石墨烯具有非常好的热传导性能，而纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。而本申请中，正是通过在散热区1122铺设第一石墨烯层1123，从而大大地提高了第一基体111的散热能力。
在工作状态，轨道区1121由于电子束的轰击产生大量热量，一部分热量由第一石墨烯层1123向外辐射，另一部热量通过第一基体111传递给第二基体114，实现快速散热。同时，阴极组件20轰击轨道区1121时，一部分电子会被吸附在轨道区1121，另一部分电子会被轨道区1121反射形成二次电子，其中一部分二次电子轰击至第一石墨烯层1123上，轰击在第一石墨烯层1123上的二次电子产生的X射线的硬度较低，低硬度的X射线容易被过滤掉，可避免二次电子产生的散乱射线造成图像的二次伪影。
在一实施例中，第一基体111采用铼钨合金一体成型制作，阴极组件20轰击靶面112以形成轨道区1121。
在另一实施例中，第一基体111可包括轨道区1121及子基体(图未标注)，轨道区1121自靶面112延伸至子基体内，轨道区1121伸入子基体的深度大于 10um，轨道区1121可采用铼钨合金制作，子基体可采用石墨制作，石墨具有良好的导热性，能够进一步加强第一基体111的散热性能。
请继续参阅图1，散热区1122包括第一区(图未标注)及第二区(图未标注)，第一区与外部辅助组件(图未示)相对设置，第一石墨烯层1123铺设于第二区内，第一区未铺设第一石墨烯层1123。在这里，外部辅助组件为铜管、下述的阴极组件20或吸气剂组件等。可以理解的是，由于垂值于靶面112方向辐射热量最大，从而通过与外部辅助组件相对设置的第一区不铺设第一石墨烯层1123，以在垂直于靶面112的方向上避开外部辅助组件，防止第一石墨烯层 1123对于外部辅助组件进行辐射，外部辅助组件因温度过高而影响其正常工作，甚至损坏。
第一基体111靠近第二基体114的一端具有安装面113，安装面113与靶面 112相背设置，即，靶面112远离第二基体114，安装面113朝向第二基体114 设置，第二基体114安装于安装面113，第二基体114的侧面及远离第一基体111 的端面铺设有第二石墨烯层1141。可以理解的是，轨道区1121产生的大量热量，一部分热量由第一石墨烯层1123向外辐射，另一部分热量由第一基体111以热传导的方式传递给第二基体114，而传递给第二基体114的一部分热量传递给第二石墨烯层1141向外辐射出去，以进一步提高阳极组件10的散热性能。
本实施例中，作为优选地，第二基体114采用石墨制作。当然，在其他实施例中，根据不同设计，第二基体114还可采用钼等其他导热系数较高的材料制作，本发明并不限定第二基体114的材料。
进一步地，第一基体111的周侧面铺设有第一石墨烯层1123或第二石墨烯层1141，可以理解的是，轨道区1121的热量以热传导的方式传递给第一基体111，第一基体111的一部分热量传递给第二基体114，经第二石墨烯层1141辐射出去，另一部传递至第一基体111的周侧由第一石墨烯层1123或第二石墨烯层 1141进行辐射，可进一步加快散热。
可以理解的是，第一基体111的周侧离轨道区1121较近，会有少量的二次电子击打在第一基体111的周侧面，因此第一基体111的周侧面可铺设与靶面 112上一样的第一石墨烯层1123，第一石墨烯层1123的粗糙度较小(在下文详述)，以避免发生尖端打火；或者，为增加辐射面积，第一基体111的周侧面铺设粗糙度相对第一石墨烯层1123较大的第二石墨烯层1141。
本实施例中，第一基体111的直径大于第二基体114的直径，以使第一基体 111与第一基体111之间形成台阶115，台阶115处铺设有第二石墨烯层1141。在其他实施例中，第一基体111的直径还可为等于第二基体114的直径，第二基体114朝向第一基体111的端面与安装面113完全贴合，本发明对此不做限定。
在旋转阳极组件中，阳极组件10还包括转子12，转子12包括相互连接的第一部121及第二部122，第一部121依次连接于第二基体114及第一基体111，转子12能够带动阳极靶盘11旋转。电子束轰击产生的热量均匀地分布在转动的圆环面上，防止重复轰击一个位置而影响阳极靶盘11的使用寿命。
第二部122的外侧面并沿转子12的周向铺设有第二石墨烯层1141。可以理解的是，轨道区1121产生的热量，一部分由位于靶面112上的第一石墨烯层1123 向外辐射，另一部分由第一基体111以热传导的方式传递给第二基体114、以及位于第一基体111周侧面的第一石墨烯层1123或第二石墨烯层1141，第二基体 114中的部分热量传递给第二石墨烯层1141向外辐射出去，另一部分热量传递给转子12，转子12传递给位于第二部122外侧面的第二石墨烯层1141向外辐射出去，如何设置，能够加大阳极组件10整体的辐射面积，从而进一步加强阳极组件10的散热效率。
进一步地，第一石墨烯层1123及第二石墨烯层1141的厚度范围为1～100um，可以理解的是，第一石墨烯层1123及第二石墨烯层1141选择合适的厚度，不仅能够提高阳极组件10的散热性能力，还可降低成本。若第一石墨烯层1123 及第二石墨烯层1141设置得太薄，会减弱散热性能，而且二次电子会深入第一石墨烯内的靶面112而产生散乱射线，若第一石墨烯层1123及第二石墨烯层 1141设置得太厚，则会提高成本。
优选地，第一石墨烯层1123及第二石墨烯层1141的厚度范围为10～100um，因二次电子会深入轰击物10um以上的深度且太薄的厚度影响散热性能，因此优选将第一石墨烯层1123及第二石墨烯层1141的厚度优选设置为10um以上。
请参阅图3，图3为阳极组10的靶面112的局部剖视图。
第一石墨烯层1123的粗糙度小于等于0.2um，且第一石墨烯层1123的粗糙度小于第二石墨烯层1141的粗糙度，第一石墨烯层1123设置得较为平滑。可以理解，由于第一石墨烯层1123主要设于靶面112上，平滑的第一石墨烯层1123 可防止二次电子发生尖端打火；同时，在靶面112上铺设第一石墨烯层1123可包裹靶面112，第一石墨烯层1123的粗糙度较小，可避免二次电子直接击打在表面较为粗糙的靶面112上引起打火，且表面较为粗糙的第二石墨烯层1141可增加散热面积。
第一石墨烯层1123及第二石墨烯层1141为单层的纳米石墨烯，或者，由多层纳米石墨烯通过物理方式叠加而成，且第一石墨烯层1123及第二石墨烯层 1141通过物理方式进行涂覆，可为喷涂、涂刷或者其他物理方式进行涂覆。
请参阅图4，图4为X射线管100的部分结构示意图。
本发明了还提供一种X射线管100，该X射线管100包括阴极组件20及上述的阳极组件10，阴极组件20与阳极组件10相对设置，能够向阳极组件10发射电子束。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、安全检测、X射线卫星导航等领域中。
阴极组件20包括灯丝21以及灯丝驱动电路(图未示)，灯丝驱动电路连接于灯丝21，其用于为灯丝21供电，从而驱动灯丝21发射电子束，灯丝21的结构可以为螺旋线圈、D形或平面发射体等。阴极组件20非本发明的重点，在此不作赘述。
阴极组件20还包括集射罩(图未示)，集射罩由纯镍、铁镍合金或其他材料制作的长方形槽，集射罩与灯丝21的一端相接，从而获得与灯丝21相同的负电位。利用集射罩的几何形状，迫使电子束呈一定形状和尺寸飞向阳极靶盘 11，达到聚焦的作用。
X射线管100还包括壳体(图未示)，壳体中空设置围设形成封闭的管腔(图未示)，部分阴极组件20与阳极组件10容置于壳体的管腔内，壳体上设有输出窗(图未示)，X射线能够自输出窗射出，射向待检测物体进行成像。
壳体采用熔点高、绝缘强度大、膨胀系数小的钼组硬质玻璃制成。为保证灯丝21发射的电子束能够畅通无阻地飞向阳极靶盘11，壳体内要保持真空。
输出窗一般由铍制作，上述的二次电子击打在第一石墨烯层1123上形成的软X射线，可由铍窗进行过滤，可防止产生二次伪影。
本发明还提供一个医疗成像设备，该医疗成像设备包括上述X射线管100，医疗成像设备可为正电子发射计算机断层显像机(Positron Emission Tomography-ComputedTomography，PET-CT)、计算机X射线成像系统(Computed Radiography，CR)或者数字X射线成像系统(Digital X-ray Imaging System，DR)等其他医疗成像设备。
本发明提供的阳极组件10，通过在散热区1122铺设第一石墨烯层1123，利用石墨烯材料的高传热系数及高辐射率，能够提高阳极组件10的散热性能，延长阳极组件10的使用寿命，可有效地防止靶面112温度过高而开裂；同时，击打在第一石墨烯层1123上二次电子形成的X射线硬度较低，可被过滤，能够使图像清晰，防止造成二次伪影。
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。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种X射线管的阳极组件，包括第一基体(111)，所述第一基体(111)的一端具有靶面(112)；
其特征在于，所述靶面(112)包括散热区(1122)及轨道区(1121)，所述散热区(1122)位于所述轨道区(1121)的周向，且所述散热区(1122)铺设有第一石墨烯层(1123)，所述第一石墨烯层(1123)位于非轨道区外表面，且所述第一石墨烯层(1123)未覆盖所述轨道区(1121)，所述第一石墨烯层(1123)用于承受X射线管工作状态时所产生的二次电子的轰击；
所述X射线管的阳极组件(10)还包括第二基体(114)，所述第一基体(111)的另一端具有与所述靶面(112)相背设置的安装面(113)，所述第二基体(114)安装于所述安装面(113)，且所述第二基体(114)的侧面及远离所述第一基体(111)的端面铺设有第二石墨烯层(1141)；所述第一石墨烯层(1123)的粗糙度小于或等于0.2um，且所述第一石墨烯层(1123)的粗糙度小于所述第二石墨烯层(1141)的粗糙度。
2.根据权利要求1所述X射线管的阳极组件，其特征在于，所述散热区(1122)包括第一区及第二区，所述第一区与外部辅助组件相对设置，且所述第一石墨烯层(1123)铺设于所述第二区内。
3.根据权利要求1所述X射线管的阳极组件，其特征在于，所述散热区(1122)的第一石墨烯层(1123)延伸至所述第一基体(111)的周侧面，并将所述第一基体(111)的周侧面覆盖；
或者，所述第一基体(111)的周侧面铺设有所述第二石墨烯层(1141)。
4.根据权利要求1所述X射线管的阳极组件，其特征在于，所述X射线管的阳极组件(10)还包括转子(12)，所述转子(12)包括相互连接的第一部(121)及第二部(122)，所述第一部(121)依次连接于所述第二基体(114)及所述第一基体(111)，所述第二部(122)的外侧面沿所述转子(12)的周向铺设有所述第二石墨烯层(1141)。
5.根据权利要求1～4任意一项所述X射线管的阳极组件，其特征在于，所述第一石墨烯层(1123)及所述第二石墨烯层(1141)厚度范围在1-100um之间。
6.根据权利要求1～4任意一项所述X射线管的阳极组件，其特征在于，所述第一石墨烯层(1123)及所述第二石墨烯层(1141)为单层的纳米石墨烯，或者，由多层纳米石墨烯叠加而成。
7.一种X射线管，其特征在于，所述X射线管包括阴极组件(20)及如权利要求1～6任一项所述的X射线管的阳极组件，所述阴极组件(20)能够向所述X射线管的阳极组件发射电子束。
8.一种医疗成像设备，其特征在于，所述医疗成像设备包括如权利要求7所述的X射线管。
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