CN111883407A - 带有沉积屏蔽件的x射线管和阴极杯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种x射线管，该x射线管包括电子发射器和阴极杯，该阴极杯具有保持电子发射器的凹陷部。该凹陷部具有底部表面，并且屏蔽件在电子发射器和底部表面之间定位在凹陷部中。屏蔽件被配置为接收沉积的升华发射器材料并且将升华的发射器材料保持远离电子发射器。

Description

带有沉积屏蔽件的X射线管和阴极杯

背景技术

本公开整体涉及x射线系统，并且更具体地讲，涉及具有沉积屏蔽件的阴极杯。

电子源用于x射线系统，诸如断层摄影术(CT)和心血管(CV)系统。电子源通常包括在达到一定温度时发射电子的热离子发射器。形成这些热离子发射器的长丝由具有高熔点的金属(比如钨、镧)或它们的合金制成。

目前可用的医用x射线管通常包括具有固定在杯中的发射器的阴极组件。该阴极组件取向成面向阳极或靶，该靶通常是金属或复合结构。在阴极和阳极之间的空间被排空。阴极杯被设计成在真空中产生定制的电势分布，使得所有电子轨迹都从其初始发散运动朝向阳极表面上的焦点重定向。

发明内容

提供本发明内容是为了介绍将在下面的具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制要求保护的主题的范围。

在一个实施方案中，x射线管包括具有保持电子发射器的凹陷部的阴极杯。所述凹陷部具有底部表面，并且屏蔽件在所述电子发射器和所述底部表面之间定位在所述凹陷部中。所述屏蔽件被配置为接收沉积的升华发射器材料并且将所述升华的发射器材料保持远离所述电子发射器。

用于x射线系统的阴极杯的一个实施方案包括用于保持电子发射器的凹陷部，该凹陷部具有底部表面，该底部表面在电子发射器保持在凹陷部中时面向电子发射器。屏蔽件定位在电子发射器与凹陷部的底部表面之间，其中屏蔽件被配置为接收沉积的升华发射器材料并且将升华的发射材料保持远离电子发射器。

从以下结合附图的描述中，本发明的各种其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

参考以下附图描述本公开。

图1是根据本公开的一个实施方案的x射线管的剖视图。

图2-图5提供了根据本公开的阴极杯的各种实施方案的剖视图。

具体实施方式

本发明人已认识到需要改进的阴极杯，该阴极杯更好地将升华的发射器材料保持远离电子发射器，以便降低由于松散或剥落升华的发射器材料引起的短路而造成的发射器故障的风险。同样，本发明人认识到需要阴极杯，该阴极杯通过降低发射器和阴极杯之间的高电压间隙中的松散升华的发射器材料的风险来提供改进的高电压稳定性。

与阴极杯内的发射器升华和沉积的发射器材料相关的问题在相关领域中是熟知的，并且是长期存在的。升华或蒸发的发射器材料沉积到阴极杯的底部上。例如，沉积的发射器材料通常由钨构成。阴极杯由与沉积的发射器材料不同的合金制成，因此存在热膨胀失配。例如，阴极杯通常由镍、钼、Fe-41.5Ni(Ni42)、Fe-29Ni-17Co(可伐合金)或铌制成。

阴极杯和沉积的发射器材料的热膨胀系数(CTE)的差异是有问题的，这是由于在x射线暴露时间期间发生的高温波动，该高温波动在阴极杯的表面处可为400℃或更高。由于不同的热膨胀系数而引起的热机械应力通常导致沉积的发射器材料从阴极杯的底部切掉，并且在发射器的底侧和阴极杯的底部表面之间在发射器下方的区域内变得松散。这种分离通常在沉积的发射器材料的边界处或者在不均匀沉积的区域处开始。

尝试解决该问题的现有技术解决方案是不足的。例如，一种现有技术解决方案是将阴极杯的底部表面纹理化或粗糙化，以有助于沉积的发射器材料与杯的底部表面之间的粘附性。材料之间增加的粘附性可有助于承受更高的剪切力。然而，本发明人已认识到，与使阴极杯的底部表面纹理化有关的解决方案不足以防止松散发射器材料接触或太靠近电子发射器的问题。由于热膨胀差异，诸如沉积的发射器材料和阴极杯质量之间CTE的差异，仍然会发生有问题的剥落。

考虑到持续的问题以及本发明人认识到的现有解决方案的问题，本发明人开发了所公开的阴极杯，该阴极杯包括定位在电子发射器与阴极杯的底部表面之间的沉积屏蔽件。如本文所述，屏蔽件30为插入到阴极杯中并定位在发射器与阴极杯的材料之间的与阴极杯分离的件，诸如网片或箔。屏蔽件30为单独的件，其具有与阴极杯的热膨胀能力解耦的热膨胀能力。屏蔽件30能够与杯分开移动，并且通常不受杯的热膨胀的约束，该杯是体积大的并且具有与沉积材料的CTE非常不同的CTE。

在某些实施方案中，屏蔽件30可由具有与沉积的发射极材料相同或相似的CTE的材料构成。例如，屏蔽件可以是钨网或钨箔，其可以是穿孔箔。在这样的实施方案中，如果沉积的发射器材料也为钨，则屏蔽件具有与沉积的发射器材料的CTE相等的CTE。在其他实施方案中，屏蔽件30可具有不同的耐火金属材料，由此与其中沉积的材料直接粘附到阴极杯的先前实施方案相比，屏蔽件30的CTE比起典型的杯材料仍更靠近沉积的发射器材料的CTE，并且因此减小了由热失配引起的应变。

本发明人开发的所公开的屏蔽件解决方案提供优异的性能并减少发射器故障。所公开的阴极杯布置在现有的阴极杯实施方案(包括提供纹理化涂层的那些)上延长发射器的寿命，因为屏蔽部件与阴极杯分离并且通常解耦，并且因此可拉伸和变形而不会受到大体积阴极杯架构和材料的热特性的过度约束。

图1描绘了示例性x射线系统10的横截面，其包括用作电子源的阴极14以及阳极12。阴极14包括发射器16和保持发射器16的阴极杯18。阴极杯可由任何材料制成，诸如镍、钼、Ni42、可伐合金或铌。阴极杯18定位在凹陷部20内，使得阴极杯充当电子聚焦元件，以将电子从发射器16朝向阳极12引导。在各种实施方案中，发射器16可以是板、线圈、长丝或相关领域中已知的其他类型的发射设备。发射器16可平行于凹陷部20的底部表面22或可相对于底部表面22以任何角度成角度。

凹陷部20形成于阴极杯18的材料中。凹陷部20包括面向发射器16的底部表面22。凹陷部可具有一个或多个侧壁24，该侧壁可垂直于底部表面22，或与其成任何角度。作为另外一种选择，凹陷部20可为碗形的或者以其他方式具有弯曲的底部表面22。

屏蔽件30定位在凹陷部20的底部表面22与发射器16之间，并且被配置为接收沉积的发射器材料52，该沉积的发射器材料由发射器材料在高电压暴露和电子发射期间的升华产生。在各种实施方案中，屏蔽件30可以是机械地附接到阴极杯18的固体箔或片材。在其他示例中，屏蔽件30可以是多孔的或穿孔的，诸如穿孔片材或网片。

在所描绘的示例中，屏蔽件30经由机械固定装置40机械地附接到凹陷部20的底部表面22和侧壁24。在各种实施方案中，机械固定装置40可以是阴极杯18的凹陷部20的形成件或屏蔽件30的形成件内的任何机械设备或元件。如各种示例中所示，固定装置40可以是在杯材料中形成的凸缘26或沟槽25。在另选的实施方案中，机械固定装置40可由屏蔽件30中的形成件提供，诸如铆钉或型锻脊，该形成件在凹陷部20内提供摩擦配合或卡扣配合。在另外的其他实施方案中，机械固定装置40可以是螺钉、大头钉、焊接件、夹具、开口销、卡扣或将屏蔽件30连接到阴极杯18的其他元件中的任一种。

屏蔽件30可由能够承受在x射线管10中的电子源处发生的高温和温度波动的任何材料形成。在一个实施方案中，屏蔽件由耐火金属(诸如钨或与由发射器沉积的钨材料的热膨胀系数紧密匹配的钨合金)制成。在其他实施方案中，尤其是在屏蔽件30为网片32的情况下，屏蔽件可由具有偏离钨的热膨胀系数的低热膨胀系数的其他高温材料制成，诸如Fe-29Ni-17Co(可伐合金)、Fe-41.5Ni(Ni42)、钼、铼和钽。屏蔽件30可为箔或其他固体或穿孔片材，或者其可为网片。图2描绘了其中屏蔽件30为网片32的一个实施方案，该网片可为例如丝网。网片32可由任何各种金属材料制成。在一个实施方案中，网片32由钨或具有与沉积材料52相同或相似CTE的其他耐火金属构成。

网片或穿孔实施方案可具有升华材料可穿过的孔或孔隙。由于附接的表面积较小并且由于沉积材料将附接的角度不同，因此沉积在网片屏蔽件30上的任何材料将具有低的剥落风险。此外，作为具有独立于阴极杯18的热膨胀的独立元件，由网片与发射器材料之间的热膨胀失配引起的应变被高度减小。另外，在与沉积的发射器材料52具有相同或相似CTE的实施方案中，实际上消除了热膨胀失配。

如示出作为穿孔箔片材34的屏蔽件30的图5所描绘，升华发射器材料52的区域或“岛状物”可在网片32或箔片材34中的孔或穿孔35下方形成。阴极杯18中凹陷部20的底部表面22上的沉积材料52的这些岛状物与在底部表面22上形成的连续膜相比将具有减少的剥落问题，这是如上所述的现有技术系统的有问题的方面。如图5所示，行进穿过屏蔽件30的孔或穿孔35的沉积的发射器材料52将具有在边缘处逐渐变薄的渐变厚度。这解决了现有技术的问题，其中剥离效应是由于剪切力集中在沉积的发射器材料的膜的边缘处而引起的。在屏蔽件30下面形成的岛状物的较薄边缘具有较低的分离和剥落风险。此外，即使确实发生这种分离，也将防止任何剥落材料成为问题，因为屏蔽件30将会将任何剥落材料保留在屏蔽件处或其下方。因此，屏蔽件30将防止任何发射器材料薄片接触或以其他方式接近发射器16，并因此防止由于收集此类材料而造成的发射器故障或劣化。

在其他实施方案中，类似于图3和图4所示，屏蔽件30可以是箔34的固体片材。就固体箔34而言，可能更重要的是，箔34的CTE类似于沉积的发射器材料52的CTE。在这样的实施方案中，两种材料之间的热失配将减小，从而减少由两种材料之间的应变引起的分离的量。因此，箔34可由钨或其他耐火金属形成，其可以是与发射器16相同的材料，使得屏蔽件30的CTE与沉积的发射器材料52的CTE相同或相等。

在图3的示例中，箔34通过焊接件42附接到底部表面22。在该示例中，焊接件42不在发射区域17的正下方，在该发射区域中发生大量的发射器材料沉积。如x射线领域的普通技术人员将了解的，x射线发射器通常具有发射区域17，该发射区域可以是发射器16的中心区域中的蛇形路径。在该发射区域17下的沉积物将更大，并且可能优选的是在发射区域17正下方的区域之外提供焊接件42或其他机械固定件。作为另外一种选择，焊接件42或其他机械固定装置40可由与箔34和/或沉积的发射器材料52具有相同或相似CTE的材料制成，并且因此将减轻由附接点处的热失配引起的任何问题。

如上所述，屏蔽件30可为网片或箔，其可为固体箔片材或穿孔箔。屏蔽件30优选地被配置为至少在发射器16的发射区域17下方跨越。然而，在各种实施方案中，屏蔽件30可被配置为覆盖凹陷部20的底部表面22中的一些或全部。在各种实施方案中，屏蔽件30可被配置为也跨越凹陷部20的侧壁24。因此，屏蔽件可定位在发射器16和侧壁24之间，并且将接收并保留朝向侧壁24被排出的任何沉积的发射器材料。

在其中屏蔽件向上延伸到侧壁上的实施方案中，诸如图2和图3所描绘的那些，可提供机械附接装置40以将屏蔽件30附接并保持在凹陷部20内。在所描绘的实施方案中，侧壁具有凸缘26，该凸缘从侧壁24垂直向内延伸并充当抵靠屏蔽件的保持力，以将屏蔽件保持在凹陷部20内。在其他实施方案中，侧壁24可被配置有与屏蔽件30中的对应延伸部、沟槽或凹陷部配合的沟槽或凹陷部(例如，与屏蔽件30配合并将其附接到侧壁24上的对应特征的型锻脊或铆钉)。在这些各种实施方案中，屏蔽件30可被配置为掉入凹陷部20中或从侧面滑动到凹陷部20中。

在如同图4和图5所描绘的其他实施方案中，屏蔽件30可为平坦片材，诸如被配置为覆盖底部表面22的平坦网片材或平坦箔片材。在各种实施方案中，平坦片材可通过任何各种机械固定元件夹持、螺纹连接、焊接、钉住或以其他方式机械地附接到底部表面22。在其他实施方案中，凹陷部20内的机械固定件可由侧壁24中和/或底部表面22中的沟槽25提供。

屏蔽件30可接触底部表面22或可悬挂在其上方。例如，如图4和图5所描绘，屏蔽件30可被配置为滑动到凹陷部20的侧壁24中的沟槽25中，并且被凸缘26保持在凹陷部20内。在某些实施方案中，沟槽25可被配置为将屏蔽件30直接保持在凹陷部20的底部表面22上，使得屏蔽件30接触底部表面22。在其他实施方案中，沟槽25被配置为将屏蔽件30悬挂在底部表面22上方，使得在屏蔽件30和底部表面22之间存在间隙。图5中描绘了这样的实施方案的示例。沟槽25具有在屏蔽件上施加力以防止屏蔽件30朝向发射器16移动的顶部凸缘26a，以及在上凸缘26a的相对方向上施加力并将屏蔽件30悬挂在底部表面22上方的下凸缘26b。在屏蔽件30为网片32或穿孔箔34的情况下，这样的实施方案可能是特别有用的，使得升华的发射器材料52可穿过屏蔽件30中的穿孔35或孔掉落。由此，屏蔽件30可将沉积的发射器材料52保持远离发射器16，如上所述。在其他实施方案中，屏蔽件30或其至少一部分可通过其他方式悬挂在底部表面22上方，诸如通过屏蔽件30的底侧上的铆钉或支脚或从底部表面22向上延伸的突出方面。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够执行和使用本发明。为了简洁、清楚和易于理解而使用了某些术语。除了现有技术的要求之外，不应从中推断出不必要的限制，因为此类术语仅用于描述目的并且旨在被广义地理解。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的特征或结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效特征或结构元件，则这些其他示例旨在在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种x射线管，包括：

电子发射器；

阴极杯，所述阴极杯具有保持所述电子发射器的凹陷部，所述凹陷部具有底部表面；以及

屏蔽件，所述屏蔽件在所述电子发射器和所述底部表面之间定位在所述凹陷部中，其中所述屏蔽件被配置为接收沉积的升华发射器材料并且将所述升华的发射器材料保持远离所述电子发射器。

2.根据权利要求1所述的x射线管，其中所述屏蔽件由耐火金属材料构成。

3.根据权利要求2所述的x射线管，其中所述屏蔽件的所述耐火金属材料的热膨胀系数等于所述升华的发射器材料的热膨胀系数。

4.根据权利要求1所述的x射线管，其中所述屏蔽件通过至少一个机械固定装置保持在所述阴极杯内。

5.根据权利要求4所述的x射线管，其中所述机械固定装置包括夹具、螺钉、大头钉、焊接件、铆钉、摩擦配件、以及所述凹陷部的侧壁中的凸缘或沟槽中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的x射线管，其中所述屏蔽件为机械地附接到所述阴极杯的网片或箔中的一者。

7.根据权利要求6所述的x射线管，其中所述屏蔽件为钨网。

8.根据权利要求6所述的x射线管，其中所述屏蔽件为钨箔。

9.根据权利要求1所述的x射线管，其中所述阴极杯包括在所述凹陷部的侧壁上的至少一个沟槽，并且其中所述屏蔽件被插入所述沟槽中并且被所述沟槽保持在所述凹陷部内的适当位置。

10.根据权利要求9所述的x射线管，其中所述屏蔽件为插入所述沟槽中的平坦网片材或平坦箔片材。

11.根据权利要求1所述的x射线管，其中所述屏蔽件的至少一部分悬挂在所述凹陷部的所述底部表面上方。

12.一种用于x射线系统的阴极杯，所述阴极杯包括：

用于保持电子发射器的凹陷部，所述凹陷部具有底部表面，所述底部表面在所述电子发射器保持在所述凹陷部中时面向所述电子发射器；以及

屏蔽件，所述屏蔽件定位在所述电子发射器与所述凹陷部的所述底部表面之间，其中所述屏蔽件被配置为接收沉积的升华发射器材料并且将所述升华的发射器材料保持远离所述电子发射器。

13.根据权利要求12所述的阴极杯，其中所述屏蔽件由耐火金属材料构成。

14.根据权利要求13所述的阴极杯，其中所述屏蔽件的所述耐火金属材料的热膨胀系数等于所述升华的发射器材料的热膨胀系数。

15.根据权利要求12所述的阴极杯，其中所述凹陷部具有至少一个侧壁，并且其中所述屏蔽件进一步定位在所述电子发射器和所述侧壁之间。

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