CN1129164C - 透射式阳极x线机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压X线机，透射阳极X线管的透射阳极靶层采用钨并与石墨导热片为一体结构，其后部被透射电子束压柱压在阳极体薄窗上，水冷套设置在阳极体外，其前部设置有水冷套透射窗，阳极组装体上设置有进、出水口，阴极设置在绝缘体上，高压发生器通过电缆接入控制台，控制台通过电缆与循环水冷装置相连，具有辐射效率高，同电压下透照厚度大，体积小，重量轻等特点。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种高电压等级X线机。
背景技术
以往的X线机一直采用传统的反射式阳极结构的X线管，其出射方向中心大约与电子运动方向成90度角。这种X线通常由几十至几百千电子伏能量电子轰击金属靶时轫致辐射所产生，在该能量范围内，电子束转换为X线能量转换率很低；几乎95％以上能量都变为热能。所以，为产生足够强度X射线，输入的电能功率会远高于实际X线能量功率。同时，为了把管子阳极的热功率冷却以保护X线管，还必须加上相应电功率推动空气、水或油强制冷却X线管，由上述分析可见，提高X线管发射效率，对X线产生设备的节能和小型化具有关键性作用。然而，辐射物理理论和实验都表明，固定电压下电子束在厚钨靶上产生沿90度方向辐射X线的效率已经固定，虽然提高靶的原子序数可略为提高总辐射效率，但由于高于钨的原子序数的靶材的熔点、导热性所决定的靶的耐热功率却大为下降，无法使之制成实用X线管。美国Danos M在1992年提出一项发明专利(H01J35/08W0、92/0387)，该发明仍基于反射阳极结构，但把电子束沿很小角度入射，试图把电子束前进小角度产生的X线纳入有用射束。从理论上，该方向X线具有轫致辐射最大强度。结果由于电子束在靶面的散射使总辐射强度减少，使窗口被散射电子加热等问题，无法制成实用高效X线管产品。
发明内容
本发明目的是提供一种采用透射式阳极新原理的X线管，与高频转换多级倍压恒定高压电源组成一体化的X线机头并通过高速水冷却装置及高效散热强制风冷的循环水冷却器，构成透射式阳极小型高效X线机，从而提高X线机的发射效率，使装置节能和小型化。
本发明是由透射阳极X线管，高压发生装置，管头外壳，控制台，循环水冷却器组成。透射阳极X线管的透射阳极的靶层采用钨并与石墨透射导热片为一体结构，其后部被透射电子束压柱压在阳极体薄窗上，水冷套设置在阳极体外，其前部设置有水冷套透射窗，水冷套外部设置有辐射屏蔽套其前部加工有X线出射口，阳极组装体上设置有进、出水口，阴极设置在绝缘体上，绝缘体通过管壳与阳极体相连并密封，透射阳极X线管设置在管头外壳体内前部，由振荡输出级、高频变压器、多级倍压整流组件，灯丝供电变压器组成的高压发生器设置在管头外壳体内并与X线管阴极相连接，高压发生器通过电缆接入控制台，控制台由单片机、电流、电压、辐照时间控制电路、电源电路组成，控制台通过电缆与循环水冷装置相连，循环水冷装置由水箱体、循环水泵散热器及电风扇组成。
与现有技术相比，本发明具有辐射效率高，同电压下透照厚度大，可利用照射束张角大，体积小，重量轻，节约工业用水等特点。
附图说明
附图1为本发明结构剖视图。
附图2为本发明透射阳极X线管结构剖面图。
附图3为本发明循环水冷却装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，本发明的核心部件透射阳极X线管的透射阳极的靶层1采用钨并与石墨透射导热片2为一体结构，其后部被透射电子束压柱3压在阳极体薄窗4上，电子束中心与轴线夹角为0°，水冷套5设置在阳极体外，其前部设置有水冷套透射窗6。水冷套外部设置有辐射屏蔽套7，其前部加工有X线出射口8。阳极组装体上设置有进、出水口9、10。X线管头端为出射有用射束，其大小由防护套及水冷帽开口决定，有用射束中心与轴线夹角为0°，最大出射角可达±50度锥角，阴极11设置在绝缘体12上，绝缘体通过管壳13与阳极体相连并密封，绝缘体可以是与金属封接的陶瓷体或波纹陶瓷体，对于高电压等级，可采用有均压环隔离的串接波纹陶瓷体。阳极体经法兰盘与管头外壳14密封相连，透射电子压柱中央是电子束通道，其出口截面尺寸为实际焦点尺寸，入口可略大，侧壁为5度以下锥角，表面光洁，其本身具有表面散射辅助电子聚焦作用，但仍需设计好阴极碗尺寸以确保灯丝发射电子束在加速进入阳极体中时能被聚焦在通道截面范围内，端窗与阳极体为一整体保证真空密封性，其厚度在X线过滤允许范围内。在阳极体外部加工有冷却水的进、出口和通道，另有水冷帽带有出射窗套在阳极体外。通过水冷帽的导引，高速水流可经阳极体外沿通过端窗与水冷帽的出射窗间空隙通过，确保对复合靶片的冷却，在水冷帽的外面，套有铅合金制成的防护套，防护套端口决定所需出射X线锥面大小形状。在管头外壳体内，靠近X线管是灯丝供电变压器18，与由高频变压器16，倍压整流组件17组成的高压发生器相互串接，组件内内包括耐高压电容，二极管及测量电阻，可分级用高绝缘树脂密封，也可以采用一般串接方式，组件级数视整机最高工作电压而定，在倍压组件的另一端，即X线组合管头的另一端装有高压输出变压器及高频振荡功率输出组15，低压电联结线通过密封插座及低压多芯电缆19与控制台20相联，控制台是由公知技术组成，包括有单片机电路、电压控制电路，通过控制灯丝电压的电流控制电路，控制高压接通时间(辐照时间)控制电路，电源电路，以及微机控制的电压、电流、辐照时间予置和显示电路及辐照条件程序贮存等。控制台还通过电缆与循环水冷装置相连，循环水冷装置的水箱体21通过出水管与侧面安装的循环水泵22相接，并通过阀门23及软管与X线管的阳极体上进水口相连，阳极组装体上的出水口通过软管接入循环水冷装置的散热器24，散热器的结构是在数十根串接的铜管横断面上通过膨胀铜管固定有数百层相互平行的薄铝散热片，散热器的外壳通过支持固定片固定在水箱上面，散热器出水口直接通进水箱，在水箱上面对准散热器中心的适当距离还装有散热电风扇25，通过气流通过平行铝散热片吹过，使铜管中水流被冷却。
本发明的工作原理是这样的：根据辐射物理原理，高速电子所产生的轫致辐射在空间分布上不是各向同性，它具有趋向电子运动朝前方向的趋势，所产生轫致辐射具有的最大轫致辐射方向以下简写为MBRD，是大约处在与电子运动方向形成一定角度的锥面。该角度大小取决于使电子加速的管电压，当管电压从100KV增到600KV，该角度由40°降到10°左右。见表1。
表1
| 管电压KV | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
| MBRD锥角° | 40° | 30° | 25° | 20° | 15° | 10° |
沿MBRD附近方向辐射的X线与沿90°方向辐射X线相比有较大差别：首先是辐射效率高。这个差别，随着电压增大而增大。如果取能谱中较高能光子(即在金属检测中透过与管电压对应最大探测厚度能产生影像的有效成分光子)来比较，当管电压从150KV增到600KV，沿MBRD与沿90°方向；轫致辐射X线强度比大约从150％增到800％，见表2。
表2
此外，其轫致辐能谱也有所不同，因为越是高能部分向前分布趋势越强，其总的效果是沿MBRD辐射光子的平均能量要大于沿90°方向辐射，也即是其穿透能力增强了。实验证明，透射阳极X线管治MBRD附近出射X线的最大透射力相当于把普通X线管管电压增加10-15％后的X线的最大透射力。
| 管电压KV | 150 | 250 | 300 | 400 | 500 | 600 |
| MBRD/90°有效强度比％ | 150 | 200 | 250 | 400 | 550 | 800 |
目前常规X线管中，是利用了沿90°方向附近发射的轫致辐射X线，而沿MBRD锥面附近方向辐射的X线，被阳极减弱后，不能成为有用射束而成为需要屏蔽的泄漏辐射。
本发明的关键是采用透明基靶和透射式用极结构使沿MBRD附近方向辐射成为有用射束，从而提高X线管辐射效率。
所谓透明基靶是由两层复合材料组成，首层是用高原子序数高溶点导热性较好材料构成的靶层，其厚度约等于相应电压加速后电子束在靶材的射程。例如钨层对于250KV至600KV对应厚度为20μm至80μm左右。该层对于透过的X线有效成分的减弱与反射式厚钨靶自减弱大致相当。按常识，单有此层薄靶无法及时传递热功率，在电子束连续轰击下会很快损坏，所以必须紧贴称为透明基的第二层作为导热基体。第二层由低原子序数，溶点略高于靶层的高导热性材料组成。厚度为第一层的10-20倍。因其原子序数低，对有效成份X线近似透明。通过该透明基，靶层热功率能及时传递而靶层不致损坏。最实用的靶层—透明基组合为钨—石墨或金—金刚石。
在几何配置上，本发明为了最大限度地利用沿MBRD锥面辐射，不像发明人原来获准欧洲专利局的EP584871B1专利把出射中心方向取在MBRD锥面上，而取出射中心方向0°，把整个MBRD锥面都纳入有用射束锥角。根据0°附近方向过滤减弱最低原理，使整个射束锥面辐射强度更为均匀。还使得可利用射束锥面角可达±50°，远大于反射阳极可利用的射来锥角。本发明中在透明基后还有窗口、流水(或油)层等，水和油都是低原子序数物质相当于传统X线管的油层、窗口等过滤材料。
Claims (3)
1、透射式阳极X线机，是由透射阳极X线管，高压发生器，管头外壳，控制台，循环水冷却装置组成，其特征在于：透射阳极X线管的透射阳极的靶层(1)采用高原子序数材质，厚度为相应电压加速后电子束在靶材的射程，并与由低原子序数高导热率材质制成的厚度为靶层10-20倍的透射导热片(2)复合为一体结构；其后部被透射电子束压柱(3)压在阳极体薄窗(4)上，使电子束中心线与轴线夹角为0度；水冷套(5)设置在阳极组装体外，其前部设置有水冷套透射窗(6)，水冷套外部设置有辐射屏蔽套(7)，其前部加工有X线出射口(8)，出射口出射有用射束中心线与轴线夹角为0度，最大出射角为±50度锥角；X线管阴极(11)设置在绝缘体(12)上，绝缘体通过管壳(13)与阳极组装体相连并密封。
2、根据权利要求1所述的透射式阳极X线机，其特征在于透射阳极X线管设置在管头外壳(14)内前部；高压发生器由振荡输出级(15)、高频变压器(16)、倍压整流组件(17)和灯丝供电变压器(18)组成，设置在管头外壳(14)内并与X线管阴极(11)相连接；高压发生器通过电缆(19)接入控制台(20)，控制台(20)由单片机、电流、电压、辐照时间控制电路、电源电路组成，控制台通过电缆与循环水冷装置相连，循环水冷却装置的水箱体(21)侧面设置有循环水泵(22)，通过阀门(23)及软管与阳极组装体上进水口(9)相连，阳极组装体上出水口(10)通过软管连接循环水冷装置的散热器(24)，散热器的后部设置有散热电风扇(25)。
3、根据权利要求1所述的透射式阳极X线机，其特征在于所述循环水冷装置的散热器(24)与散热电风扇(25)位于水箱体(21)的上部，散热器为平行串接铜管其横断面上设置有相互平行的散热片。
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