CN114121578A - X射线管的具有改善的热管理的偏置阴极组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“X射线管的具有改善的热管理的偏置阴极组件及其制造方法”。本文提供了用于X射线管(100)的具有改善的热管理的偏置阴极组件(102，170)及其制造方法(200)的各种系统和方法。在一个示例中，X射线管(100)的阴极组件(102，170)包括：发射器组件(180)，该发射器组件包括耦接到发射器支撑结构(300)的发射器(110)；和电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)，该电极组件包括电极叠堆(210A)和多个偏置电极(224，226，228)。发射器组件(180)包括耦接在一起的多个独立部件。电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)包括耦接在一起的多个独立部件，并且发射器组件(180)耦接到电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)。

Description

X射线管的具有改善的热管理的偏置阴极组件及其制造方法

技术领域

本文所公开的主题的实施方案涉及X射线管以及X射线管的包括增强的热管理的偏置阴极组件。

背景技术

在X射线管中，电离辐射是通过将电子从阴极组件的发射器加速到阳极靶而产生。发射器通过电流流过它而被加热以产生电子，该电子以电子束的形式从发射器发射，该电子束朝阳极靶加速。阴极组件内的多个偏置电极用于将电子束朝向阳极靶成形、转向和聚焦。

X射线管偏置阴极组件通常包括发射器、多个偏置电极、以及将该多个偏置电极分开的多个偏置电极绝缘体。该多个偏置电极和发射器必须相对于彼此精确定位，以便控制从发射器产生的电子束。

X射线管偏置阴极组件可由金属和陶瓷材料的单体叠堆形成。金属偏置电极必须通过陶瓷偏置电极绝缘体彼此电隔离。如果这些偏置电极绝缘体过热并开始导电，则出现困难。偏置电极被配置为通过一系列不同电压(kV范围)操作以成形、转向和聚焦由发射器生成的电子束。金属偏置电极和陶瓷偏置电极绝缘体是使用线切割放电机加工(EDM)工艺由金属和陶瓷材料的单体叠堆加工而成的。

EDM工艺对阴极组件构型施加设计约束并导致陶瓷部件和金属部件之间的非优化钎焊或焊接，从而导致从发射器通过偏置电极绝缘体的热传递。当偏置电极绝缘体被加热并且绝缘性变小时，这导致热过载和电流泄漏的增加。EDM工艺也是复杂的、困难的、耗时的，并且常常需要校正工艺步骤来清洁和移除金属颗粒，并且通过迫使偏置电极绝缘体进入高热区域(这可能导致陶瓷绝缘材料破裂并且还可能限制功率输出)来限制阴极组件设计。所得到的阴极组件是昂贵的并且在较高功率输出下可能易于热过载。

因此，一般期望通过用高精度模具组装多个单独部件来制造X射线管的阴极组件，以降低制造成本并改善阴极组件的热性能。

发明内容

在一个实施方案或示例中，一种X射线管的阴极组件包括发射器组件和电极组件，该发射器组件包括耦接到发射器支撑结构的发射器，该电极组件包括电极叠堆和多个偏置电极。发射器组件包括耦接在一起的多个独立部件。电极组件包括耦接在一起的多个独立部件，并且发射器组件耦接到电极组件。

在另一实施方案或示例中，一种X射线管的偏置阴极组件包括发射器组件，该发射器组件包括阴极杯、至少一个发射器绝缘体和发射器。偏置阴极组件还包括电极组件，该电极组件包括至少一个偏置电极和至少一个偏置电极绝缘体。阴极杯、至少一个发射器绝缘体和发射器是耦接在一起的独立部件。至少一个偏置电极和至少一个偏置电极绝缘体是耦接在一起的独立部件，并且发射器组件耦接到电极组件。

在又一实施方案或示例中，一种制造X射线管的阴极组件的方法包括制造发射器组件，该发射器组件包括耦接到发射器支撑结构的发射器。该方法还包括制造电极组件，包括制造电极叠堆以及将多个偏置电极耦接到该电极叠堆。该方法还包括将发射器组件和电极组件组装在一起。制造发射器组件包括制造多个独立部件以形成发射器支撑结构，以及将发射器组装到该发射器支撑结构。制造电极组件包括：制造多个独立部件以形成电极叠堆；制造多个独立部件以形成多个偏置电极；组装电极叠堆；将多个偏置电极组装到电极叠堆；以及将发射器组件和电极组件组装在一起。

应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选示例。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述将更好地理解本公开，其中以下：

图1例示了示出示例性X射线管的内部的简化示意性剖面图。

图2例示了用多个高精度模具或夹具制造阴极组件的方法。

图3例示了发射器组件的部件以及制造发射器组件的方法。

图4A例示了用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的分解图。

图4B例示了用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的第一剖视图。

图4C例示了用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的第二剖视图。

图5例示了包括发射器组件和多个子组件的阴极组件的顶部透视图。

图6A例示了简化的示意性剖视图，示出了示出各个热管理元件的第一示例性阴极组件。

图6B例示了简化的示意性剖视图，示出了示出各个热管理元件的具有热屏罩的第二示例性阴极组件。

具体实施方式

以下描述涉及用于X射线管的阴极组件的实施方案。示例性X射线管示于图1中。图2例示了用多个高精度模具或夹具制造阴极组件的方法。图3例示了制造发射器组件的方法。图4A、图4B和图4C例示了用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内。图5例示了包括发射器组件和多个子组件的阴极组件。图6A和图6B例示了包括各个热管理元件的阴极组件的不同示例。

图1至图5示出了具有各种部件的相对定位的示例性构型。至少在一个示例中，如果被示为彼此直接接触或直接耦接，则此类元件可分别被称为直接接触或直接耦接。相似地，至少在一个示例中，彼此邻接或相邻的元件可分别彼此邻接或相邻。例如，设置成彼此共面接触的部件可被称为共面接触。又如，在至少一个示例中，被定位成彼此间隔开并且其间仅具有空间而不具有其他部件的元件可被如此描述引用。又如，被示为位于彼此的上面/下面、位于彼此相对侧、或位于彼此的左侧/右侧之间的元件可相对于彼此被如此描述引用。此外，如图所示，在至少一个示例中，元件的最顶部元件或点可被称为部件的“顶部”，并且元件的最底部元件或点可被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上部/下部、上面/下面可为相对图的竖直轴而言的，并且可用于描述图中元件相对于彼此的定位。由此，在一个示例中，被示为位于其他元件上面的元件被竖直地定位在其他元件上面。又如，图中所示的元件的形状可被称为具有这些形状(例如，诸如为圆形的、平直的、平面的、弯曲的、倒圆的、倒角的、成角度的等等)。此外，在至少一个示例中，被示为彼此相交的元件可被称为相交元件或彼此相交。另外，在一个示例中，被示为位于另一个元件内或被示为位于另一个元件外的元件可被如此描述引用。

图1例示了根据本公开的实施方案的示出X射线管100的内部的简化示意性剖面图。X射线管100可用于医学成像检查，诸如利用X射线成像系统、荧光镜X射线成像系统、计算机断层扫描(CT)成像系统等。在当前设想的构型中，X射线管100包括设置在抽空真空壳体106内的阴极组件102和阳极组件104。需注意，X射线管100可包括其他部件并且不限于图1所示的部件。

真空壳体106可以是定位在X射线管100的外壳(未示出)内的抽空壳体。真空壳体106围绕在外壳内的电介质冷却油(未示出)中。此外，阴极组件102包括具有多个偏置电极(未示出)的阴极杯108和具有发射器110的发射器组件，该发射器被配置为朝向阳极组件104的阳极靶112发射电子。通常，电流从X射线发生器电源(未示出)施加到阴极组件102和发射器组件的发射器110，这导致产生电子。

阳极组件104可包括旋转阳极靶112、转子114、轴承组件116和定子(未示出)以使阳极靶112旋转。定子位于真空壳体106的外部并且被供电以产生磁场，以引起转子114和阳极靶112的旋转。另外，阳极靶112定位在所发射电子的方向上以接收来自发射器110的电子。在一个示例中，阳极靶112包括基部118、基底120和具有高“Z”原子材料(诸如铑、钯、钨等)的靶表面122。旋转阳极靶112经由转子114和轴承组件116旋转，产生来自阳极靶112的X射线产生的焦点(未示出)。从阳极靶112的焦点生成的X射线束(未示出)通过壳体106中的窗口124离开壳体106。需注意，也可使用固定阳极靶代替X射线管中的旋转阳极靶。

阴极组件的部件可作为单独部件被分开制造，然后接合在一起以形成完整的阴极组件。阴极组件的部件可包括电极组件、附接到电极组件的多个偏置电极、以及集成在电极组件和多个偏置电极内的发射器组件。发射器组件包括发射器支撑结构和附接到发射器支撑结构的发射器。非常重要的是，多个偏置电极和发射器组件在阴极组件内处于期望的公差内。如果多个偏置电极和发射器组件之间的间距不在期望的公差内，则多个偏置电极控制电子束的形状和轨迹的能力受到限制。阴极组件的每个部件被独立地制造，具有其自身的制造变化以及其相对于其他部件的对齐的变化。这些部件被制造成子组件，这些子组件因而具有它们自己的公差。使用高精度模具或夹具将子组件接合在一起，以将这些关键部件相对于彼此以正确的取向定位和对齐，同时通过钎焊、焊接或其他接合技术将它们连接在一起。

阴极组件包括单独部件，这些单独部件被独立制造、利用高精度模具定位以正确定位和对齐、然后钎焊或焊接在一起。制造单独部件的任何问题将不会导致整个阴极组件损耗或返工，从而降低了成本。如果单独部件或子组件未通过检测，则返工工作将为返工或替换该单独部件或子组件，从而导致与返工或替换整个阴极组件相比大大降低了成本。

X射线管中的阴极组件包括精确地定位在多个偏置电极之间的发射器组件，该多个偏置电极控制电子束的方向和形状。偏置电极是一般性术语，意指长度电极、宽度电极或聚焦电极中的任一者，或者被设计用于控制焦点的形状、尺寸或位置、切断电子束或控制电子束的量值的任何其他电极。如果发射器组件和偏置电极之间的间距在可接受的公差之外，则这将限制控制电子束形状或轨迹的能力，并且可能导致高电压不稳定性。

图2例示了根据本公开的实施方案的用多个高精度模具或夹具制造阴极组件170的方法200。

通过设计高精度对齐模具使得关键部件和子组件在临界公差内定位和对齐来改善组装精度。这意味着可补偿各个零件的变化，并且每个组装精度将基于模具而不是单独部件公差。这也可通过降低非必要特征部的公差而得到较低成本的阴极组件。

转到图2的左侧，示出了制造电极组件210A的第一方法步骤210。电极组件210A包括多个交替的金属导体环212和陶瓷绝缘体环或偏置电极绝缘体214，它们顶置有控制焦点偏转的至少两个顶部金属导体部件215。多个交替的金属导体环212和陶瓷绝缘体环或偏置电极绝缘体214同心地布置，从而形成穿过其的开口218，并且可围绕中心轴线216同心。除此之外或另选地，对于仅控制焦点尺寸的阴极可能仅需要一个金属导体部件。

第一方法步骤210示出了包括多个交替的金属和陶瓷部件的第一子组件210A或组装的电极组件210A的透视图，以及用于电极组件的钎焊夹具210B的剖视图。钎焊夹具210B是用于对齐电极组件210A以用于将多个交替的金属导体环212、陶瓷绝缘体环214和至少两个顶部金属导体部件215钎焊在一起的高精度对齐工具。金属-陶瓷部件通过钎焊接合在一起。在一个代表性方法中，通过将金属导体环212钎焊到陶瓷绝缘体环214，并将陶瓷绝缘体环214钎焊到至少两个顶部金属导体部件215，将金属导体环212以交替堆叠关系接合到陶瓷绝缘体环214。钎焊夹具210B允许将较低精度的部件组装到较高公差，从而避开组件的公差叠加。另外，与当前制造方法相比，通过附接方式引起的残余应力减小。这将降低零件整个寿命期间翘曲或变形的风险。

下一方法步骤220示出了将多个偏置电极中的第一偏置电极、至少两个宽度电极224组装到电极组件210A的透视图，以及第一电极焊接夹具220B的透视图。宽度电极是控制焦点在“宽度”方向上聚焦的电极，“宽度”方向是焦点的较小维度。至少两个宽度电极224可单独地制造为宽度电极子组件，从而允许改善的均匀度和/或低制造成本。方法步骤220示出了组装到电极组件210A的至少两个宽度电极224的透视图，以及第一电极焊接夹具220B的透视图。第一电极焊接夹具220B可为宽度电极焊接夹具。方法步骤220示出了第二子组件220A，该第二子组件包括具有宽度电极子组件的电极组件210A，该宽度电极子组件包括附接到至少两个顶部金属导体部件215的至少两个宽度电极224。至少两个宽度电极224可包括从每个宽度电极延伸的杆222。至少两个宽度电极224是单独制造的部件，并且插入电极组件210A的开口218内以用于附接到至少两个顶部金属导体部件215。电极组件210A和至少两个宽度电极224被插入到第一焊接夹具或宽度电极焊接夹具220B中，以用于在至少两个顶部金属导体部件215上定位和对齐至少两个宽度电极224。宽度电极焊接夹具220B是高精度对齐工具，用于将至少两个宽度电极224与电极组件210A对齐，以及用于激光焊接或以其他方式将至少两个宽度电极224组装到至少两个顶部金属导体部件215，其中至少两个宽度电极224被定位成彼此相对并且在电极组件210A的开口218内彼此间隔开。电极组件210A利用第一焊接夹具或宽度电极焊接夹具220B相对于至少两个宽度电极224精确对齐。

下一方法步骤230示出了将多个偏置电极中的第二偏置电极、至少两个长度电极226组装到电极组件210A的透视图，以及第二电极焊接夹具230B的剖视图。长度电极是控制焦点在“长度”方向上聚焦的电极，“长度”方向是焦点的较大维度。至少两个长度电极226可被制造为单个单独长度电极子组件或被制造为两个分开的单独长度电极，从而允许改善的均匀度和/或低制造成本。方法步骤230示出了组装到电极组件210A的至少两个长度电极226的透视图，以及第二电极焊接夹具230B的透视图。第二电极焊接夹具230B可为长度电极焊接夹具。方法步骤230示出了包括第一子组件和长度电极子组件的第三子组件230A，该第一子组件包括具有附接到至少两个顶部金属导体部件215的至少两个宽度电极224的电极组件210A，长度电极子组件包括附接到电极组件210A的至少两个长度电极226。包括至少两个长度电极226的单独长度电极子组件是单独制造的部件，并且被插入在电极组件210A的开口218内以用于附接到电极组件210A。电极组件210A、至少两个宽度电极224和至少两个长度电极226被插入到第二焊接夹具或长度电极焊接夹具230B中，以用于电极组件210A中包括至少两个长度电极226的长度电极子组件的定位和对齐。长度电极焊接夹具230B是高精度对齐工具，用于将包括至少两个长度电极226的长度电极子组件与电极组件210A对齐，以及用于将包括至少两个长度电极226的长度电极子组件激光焊接到电极组件210A，其中至少两个长度电极226被定位成彼此相对并且在电极组件210A的开口218内彼此间隔开。电极相对于彼此的对齐是最重要的，因此重要的是将长度电极与宽度电极对齐，并且还与电极组件(对电子束聚焦没有任何影响的电极叠堆)对齐。电极组件210A使用第二焊接夹具或长度电极焊接夹具230B相对于包括至少两个长度电极226的长度电极子组件精确对齐。

下一方法步骤240示出了将多个偏置电极中的第三偏置电极、至少一个聚焦电极228组装到电极组件210A的透视图，以及第三电极焊接夹具240B的剖视图。聚焦电极是控制总体焦点尺寸的电极。可能需要也可能不需要聚焦电极，尤其是在包括长度电极和宽度电极的设计中。至少一个聚焦电极228可被制造为单个单独的聚焦电极子组件，从而允许改善的均匀度和/或低制造成本。方法步骤240示出了组装到电极组件210A的至少一个聚焦电极228的透视图和第三电极焊接夹具240B的剖视图。第三电极焊接夹具240B可为聚焦电极焊接夹具。方法步骤240示出了第四子组件240A，该第四子组件包括电极组件210A、附接到至少两个顶部金属导体部件215的至少两个宽度电极224、附接到电极组件210A的至少两个长度电极226、以及附接到电极组件210A的至少一个聚焦电极228。包括至少一个聚焦电极228的单独聚焦电极子组件可包括从聚焦电极延伸的至少一个杆229。至少一个聚焦电极228是单独制造的部件，并且被插入在电极组件210A的开口218内以用于附接到电极组件210A。电极组件210A、至少两个宽度电极224、长度电极子组件和聚焦电极子组件被插入到第三焊接夹具或聚焦电极焊接夹具240B中，以用于电极组件210A中包括至少一个聚焦电极228的聚焦电极子组件的定位和对齐。聚焦电极焊接夹具240B是高精度对齐工具，用于将包括至少一个聚焦电极228的聚焦电极子组件与电极组件210A对齐以及用于将包括至少一个电极228的聚焦电极子组件激光焊接到电极组件210A，其中至少一个聚焦电极228定位在电极组件210A的开口218内。电极相对于彼此的对齐是最重要的，因此重要的是将聚焦电极与长度电极和宽度电极对齐，而不是与电极组件(对电子束聚焦没有任何影响的电极叠堆)对齐。电极组件210A使用第三焊接夹具或聚焦电极焊接夹具240B相对于至少一个聚焦电极228精确对齐。

最后的方法步骤250示出了将阴极杯支撑板254组装到电极组件210A的透视图，以及阴极杯焊接夹具250B的分解透视图。发射器组件定位在电极组件中，附接到电极组件，并且阴极组件170完成。方法步骤250示出了最终子组件250A，该最终子组件包括电极组件210A、附接到至少两个顶部金属导体部件215的至少两个宽度电极224，具有附接到电极组件210A的至少两个长度电极226的长度电极子组件、具有附接到电极组件210A的至少一个聚焦电极228的聚焦电极子组件、以及附接到电极组件的发射器组件。阴极杯焊接夹具250B包括顶件252、阴极杯支撑板254、发射器组件夹具256和紧固件258。阴极杯支撑板254包括多个开口255，其被配置为接纳从偏置电极延伸的杆222、229。发射器组件夹具256包括突出部262，突出部可延伸穿过阴极杯支撑板254中的中心开口264。发射器组件夹具256还包括多个开口257，其被配置为容纳从偏置电极延伸的杆222、229。紧固件258可延伸穿过突出部262并与顶件252接合，以将阴极杯焊接夹具250B保持在一起，同时将阴极杯支撑板254激光焊接到电极组件210A。在所示示例中，紧固件258和顶件252被布置在阴极组件170的相对侧上，使得紧固件258延伸穿过阴极组件170的整个长度以与顶件252接合。在一个示例中，顶件252被布置在阴极组件170的第一端部处，并且紧固件被布置在与第一端部相对的第二端部处。

该方法包括将发射器组件插入到阴极杯焊接夹具250B的发射器组件夹具256中，以用于电极组件210A中的偏置电极内发射器组件的定位和对齐。阴极杯焊接夹具250B是高精度对齐工具，用于将发射器组件与偏置电极和电极组件210A对齐以及用于将发射器组件激光焊接到电极组件210A，其中发射器组件定位在电极组件210A的开口218内。使用阴极杯焊接夹具250B将电极组件210A相对于发射器组件精确对齐。

多个偏置电极相对于彼此和发射器组件的相对位置是关键的，并且将参考图3、图4A、图4B和图4C进一步描述和示出。发射器组件是单独的子组件，并且与电极组件和多个偏置电极分开制造。

图3示出了根据本发明的实施方案的发射器组件的部件以及制造发射器组件180的方法。发射器组件180是单独制造的部件，其包括发射器支撑结构300、发射器190和任选的热屏罩350。

发射器支撑结构300提供用于将发射器190安装到其上的结构。发射器支撑结构300包括横杆302，该横杆具有延伸穿过其的一对开口304，该对开口定位在横杆的相对端部处并且被配置为在其中接纳一对绝缘体柱或发射器绝缘体306。横杆302可优选地由金属材料制成，而绝缘体柱或发射器绝缘体306可优选地由陶瓷材料制成。在一个示例中，绝缘体柱306可钎焊到横杆302。绝缘体柱306可以是中空柱体，其中每个绝缘体柱具有延伸穿过其整个长度的开口307。一对导体310可穿过开口307插入。第一导体310延伸穿过第一绝缘体柱306中的开口307，并且第二导体310延伸穿过第二绝缘体柱306中的开口307。盖312可附接到绝缘体柱306中每个绝缘体柱的顶端308。盖312可优选地由金属材料制成并且被钎焊到绝缘体柱306。导体310可被钎焊到绝缘体柱306。在一个示例中，盖312是镍。在导体310穿过开口307插入绝缘体柱306中之后，将发射器190激光焊接到发射器组件180的盖312的顶部。发射器190可优选地由钨制成。除了激光焊接之外，其他焊接技术可包括焊接铂珠以有利于将钨发射器粘结到镍盖。

通过加热横杆302来形成从发射器到绝缘体柱306的热路径，横杆随后在绝缘体柱306耦接到横杆302的临界位置处加热绝缘体柱306。这是发射器绝缘体需要绝缘的点。在一个示例中，热屏罩350可被布置在发射器190下方，附接到横杆302的顶部。热屏罩350优选地通过热屏罩支撑件352附接到横杆302的顶部。热屏罩支撑件352可将热屏罩350物理地耦接到横杆302。热屏罩支撑件352可相对较小以使热屏罩350与横杆302之间的传导热路径最小化。热屏罩350可针对来自发射器190的辐射热保护绝缘体柱或发射器绝缘体306、横杆302和偏置电极绝缘体，使得绝缘体柱或发射器绝缘体306、横杆302和偏置电极绝缘体的温度低于没有热屏罩350时的温度。除此之外或另选地，热屏罩350可将热反射和/或重新辐射回到发射器190。

通过这样做，发射器的温度可在给定的发射器功率电平下被升高。为了减小电源的尺寸以及减少注入到阴极组件中的总热量，这可能是有益的。此外，为了实现阴极组件的期望功能，期望发射器温度与横杆相比相对较热，同时仍然阻止热传递至相邻结构。发射器需要处在给定温度以使阴极组件正常运行，并且希望保持发射器热而不加热其周围的所有其他部件。热屏罩350可紧邻发射器190保持热量，这可保持发射器190的高温并增强电子发射。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以调节热屏罩350的尺寸、形状、位置和耦接。在一个示例中，热屏罩350可直接耦接到绝缘体柱306。除此之外或另选地，可存在多于一个热屏罩350。

高精度模具诸如发射器支撑结构对齐工具330用于定位和对齐发射器组件180(包括发射器支撑结构300和发射器190)以在焊接期间在期望的位置保持在一起并且在期望的公差内对齐。发射器支撑结构对齐工具330的顶部中的开口322允许进入以用于铂珠放置和/或激光焊接。

在一个示例中，发射器支撑结构对齐工具330可仅在将发射器190焊接到发射器支撑结构300的过程期间使用。发射器支撑结构对齐工具330可在焊接之后移除。在焊接期间，发射器支撑结构对齐工具330可接触发射器190的外周边和横杆302的外周边。当发射器支撑结构对齐工具330接触这些外周边时，其可保持发射器190和横杆302之间的期望公差以将发射器190布置到期望位置上。

图4A示出了根据本公开的实施方案的利用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的分解图。图4B示出了根据本公开的实施方案的利用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的第一剖视图。图4C示出了根据本公开的实施方案的利用发射器对齐工具将发射器组件放置在阴极组件内的第二剖视图。现在转到图4A，其示出了发射器组件180被插入到阴极组件170的电极组件210A中的分解图400。发射器对齐工具410可用于在电极组件210A内对齐发射器组件180。在一个示例中，发射器对齐工具410是从第一端部402进入电极组件210A的开口218并与发射器组件180接合的高精度工具。在一个示例中，发射器组件180可通过阴极杯支撑板254的开口455进入电极组件210A并进入到电极组件210A中。除此之外或另选地，发射器组件180可从电极组件210A的第二端部404穿过开口218插入。发射器对齐工具410包括至少两个间隔垫片462和至少两个接触销464。

图4B示出了利用发射器对齐工具410将发射器组件180放置在阴极组件170的电极组件210A内的第一剖视图450。在图4B中的第一剖视图450中示出了发射器对齐工具410仍布置在其中的经组装的阴极组件170。图4C示出了利用发射器对齐工具410将发射器组件180放置在阴极组件170的电极组件210A内的第二剖视图470。第一剖视图450和第二剖视图470的不同之处可在于，这些视图取自阴极组件170的相反角度。例如，沿发射器对齐工具410的宽度获取第一剖视图450，并且沿发射器对齐工具410的长度获取第二剖视图470。

第一剖视图450和第二剖视图470示出了发射器190与发射器对齐工具410的至少两个间隔垫片462和至少两个接触销464接合。在一个示例中，至少两个间隔垫片462为居中对齐垫片，其被配置为使发射器190在阴极组件500的开口218内正确对齐或居中。在一个示例中，至少两个接触销464为高度对齐销，其被配置为设定发射器190的适当高度。发射器对齐工具410的至少两个间隔垫片462和至少两个接触销464可接触多个偏置电极和发射器190，以在多个偏置电极内并且在期望的公差内相对于彼此正确地定位发射器190。磁体466可将发射器对齐工具410直接耦接到多个偏置电极，而至少两个间隔垫片462和至少两个接触销464的组合偏离多个偏置电极定位。

当发射器组件180从第二端部404插入在电极组件210A内并且发射器对齐工具410从第一端部402插入在电极组件210A内时，至少两个间隔垫片462可将发射器190居中定位在发射器对齐工具410上并且至少两个接触销464可竖直地定位叠堆。发射器组件180可被布置在电极组件210A中，其中至少两个间隔垫片462可使发射器190居中，并且将其在期望位置内在多个偏置电极之间间隔开。发射器支撑结构300的横杆302可被激光焊接到电极组件170。在一个示例中，横杆302被激光焊接到电极组件210A的内部部分。然后可通过向上拉动和释放磁体来移除发射器对齐工具410。

如上所述，阴极组件的制造包括策略性地利用高精度模具以降低制造成本。高精度模具可用于以比所要求公差大的公差来对齐部件。部件可通过被成形用于接合每个部件的高精度模具来对齐。然后可将部件钎焊或焊接到位。通过制造能够多次使用的高精度模具，可降低阴极组件的制造成本。所提出的使用高精度模具的组装方法还允许将较低精度的部件组装到较高公差。

图5示出了根据本公开的实施方案的包括发射器组件和多个偏置电极的经组装的阴极组件500的顶部透视图。图5示出了经组装的阴极组件500，其包括多个单独制造的部件和子组件。该多个单独制造的部件和子组件包括：电极组件210A，该电极组件具有包括至少两个宽度电极224的宽度电极子组件、包括至少两个长度电极226的长度电极子组件、包括至少一个聚焦电极228的聚焦电极子组件；以及阴极杯内的发射器组件，该发射器组件包括发射器支撑结构和发射器190。

电极组件210A包括多个交替的金属导体环212和陶瓷绝缘体环或偏置电极绝缘体214，它们顶置有至少两个顶部金属导体部件215。多个交替的金属导体环212和陶瓷绝缘体环214同心地布置，从而形成穿过其的开口218。发射器组件的发射器190突出穿过电极组件210A的开口218。阴极组件500本身包括彼此分开制造并接合在一起以提供所期望构型的多个部件和子组件。该多个单独制造的独立部件和子组件用于将高热部件与热敏部件隔离，从而允许阴极组件在类似尺寸的封装中具有较高的功率输出。

本公开的设计的一个关键益处是将发射器支撑结构(主要热路径)与电极组件绝缘体分开，该电极组件绝缘体由于泄漏电流而具有有限的温度范围。绝缘体的泄漏电流随着绝缘体变热而增大。如果温度过高，则泄漏电流可能超过阴极组件电源的容量，并导致电极上存在的电压不稳定，从而导致失去电子束控制。对于给定的封装尺寸，保持绝缘体冷却是增加阴极组件的功率输出的关键。

增大发射器和绝缘体之间的间距可使它们保持冷却，但本文所公开的方法改善阴极组件的热管理而不增大阴极组件的尺寸或大小。这允许发射器与绝缘体间隔开，从而减少传递到绝缘体的热量。使热行进通过电极组件不是优选的，但是偏向于热保持靠近发射器。然而，优选的是使入射在电极组件或发射器组件上的能量向外传导，进一步远离其他支撑结构。偏置电极子组件的多个偏置电极和偏置电极绝缘体被单独制造，从而使得能够优化几何形状以及使用高性价比的方法。在发射器周围包括绝缘部件，从而减少热传递。围绕发射器选择性地定位热屏罩可将热反射离开绝缘部件并反射回到发射器，从而提高能量效率。

图6A根据本公开的实施方案例示了简化的示意性剖视图，示出了示出各个热管理元件的第一示例性阴极组件。图6B根据本公开的实施方案例示了简化的示意性剖视图，示出了示出各个热管理元件的具有热屏罩的第二示例性阴极组件。

现在转到图6A，其示出了阴极组件600的横截面。在一个示例中，阴极组件600是经由多个部件或子组件制造的阴极组件的示例。阴极组件600包括至少一个偏置电极602、发射器604、阴极杯606、接口材料607、发射器绝缘体612和至少一个偏置电极绝缘体614。在一个示例中，发射器绝缘体612是图3的绝缘体柱306的示例。在一个示例中，阴极杯606和接口材料607是金属，并且可吸收热(例如，用作散热器)。箭头620示出了来自发射器604的辐射热被辐射到阴极组件600的各个部件的辐射热路径或方向。在阴极组件的先前现有技术示例中，发射器绝缘体612和至少一个偏置电极绝缘体614组合成单个单体绝缘体，这导致热路径短得多并且阴极组件部件温度高得多。在图6A的示例中，通过将发射器绝缘体612和至少一个偏置电极绝缘体614分离成分开的绝缘体，辐射热路径和传导热路径相对于先前现有技术阴极组件示例要长得多。箭头630示出了从发射器604通过发射器绝缘体612、通过阴极杯606到至少一个偏置电极绝缘体614的传导热路径。在传导加热中，热在降低温度的方向上流动。因此，可发生阴极组件部件的较少加热。

现在转到图6B，其示出了阴极组件650的横截面。阴极组件650与阴极组件600基本上相同，不同的是阴极组件650包括热屏罩652。如图所示，热屏罩652可以是柱形热屏罩，并且可从阴极杯606延伸到发射器604、发射器绝缘体612和至少一个偏置电极绝缘体614之间的空间中。热屏罩652可耦接到阴极杯606。箭头620示出了来自发射器604的辐射热被辐射到阴极组件650的各个部件的辐射热路径或方向。在一个示例中，热屏罩652基本上阻挡来自发射器604的辐射热620朝向至少一个偏置电极、阴极杯606和至少一个偏置电极绝缘体614辐射。热屏罩652可紧邻发射器604保持热量，这可保持发射器604的高温并增强电子发射。除此之外或另选地，热屏罩652可将热反射和/或重新辐射回到发射器604。箭头630示出了从发射器604通过发射器绝缘体612、通过阴极杯606到至少一个偏置电极绝缘体614的传导热路径。在传导加热中，热在降低温度的方向上流动。因此，可发生阴极组件部件的较少加热。

图6A和图6B示出了阴极组件中比阴极组件的先前现有技术示例(包括单体绝缘体)更长的传导热路径和辐射热路径，这导致热路径短得多并且阴极组件部件温度高得多。本公开的阴极组件包括长得多的传导热路径和长得多的辐射热路径，它们可用热屏罩屏蔽，如图6B所示。阴极组件中的最临界温度是偏置电极绝缘体的温度。本公开的阴极组件设计采用现有技术阴极组件设计的单体绝缘体，并且将其分成单独的发射器绝缘体和单独的偏置电极绝缘体。由于传导热路径和辐射热路径长得多，这使偏置电极绝缘体保持凉得多。发射器、发射器绝缘体和偏置电极绝缘体之间的附加热屏罩阻挡辐射热路径。

发射器、发射器绝缘体和偏置电极绝缘体是分开的部件。在一个示例中，可在发射器和偏置电极绝缘体之间添加热屏罩。热屏罩可使偏置电极绝缘体保持冷却。泄漏电流在很大程度上取决于电压，并且发射器绝缘体需要绝缘几kV，而发射器绝缘体仅需要绝缘几伏。因此，至关重要的是保持偏置电极绝缘体冷却；发射器绝缘体可以比偏置电极绝缘体热。如果发射器绝缘体确实变得太热，则可使用图3所示的热屏罩。这是期望的，以便使电源的尺寸最小化以及减少注入到阴极组件中的总热量。发射器需要处在给定温度以便阴极组件正常运行。最好保持发射器热而不加热发射器周围的所有其他部件。

发射器绝缘体是与偏置电极绝缘体分开的部件并且与偏置电极绝缘体热解耦。这是通过使用各个单独子组件或部件并使从发射器到偏置电极绝缘体的传导热路径和辐射热路径两者最大化来实现，从而导致阴极组件内的较少加热。使传导热路径和辐射热路径最大化并不意味着使通过热路径传递的热最大化。在一个示例中，可在发射器和偏置电极绝缘体之间添加热屏罩，以基本上阻挡来自发射器的辐射热，并将热反射和/或重新辐射回到发射器。长得多的热路径导致阴极组件的较少加热。

X射线管的阴极组件可通过接合多个部件或子组件来制造。通过将阴极组件分成多个部件或子组件，每个部件或子组件可基于其自身的制造公差来制造，从而允许用相对不太精确的制造技术来制造具有较低公差阈值的部件或子组件。偏置电极可包括宽度电极、长度电极或聚焦电极中的任一者。

分开制造部件或子组件的技术效果是，单独部件或子组件或其零件可以高精度制造，从而提高所制造的阴极组件的可靠性并改善制造一致性。分开地制造部件或子组件的另一有益效果是任选地包括热屏罩，热屏罩可促进增强的发射器操作以及发射器与阴极组件的其他部件的增大的热分离。阴极组件是通过将满足公差规格的多个组件或子组件接合在一起来制造，同时提供可制造性和热有益效果。

如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个该元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的引用并不排除也包含所引用特征的附加实施方案或示例的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定特性的元件或多个元件的实施方案可包括不具有该特性的附加此类元件。术语“包括”和“在...中”用作相应的术语“包含”和“其中”的简明语言等同形式。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求或特定位置次序。

本文所述的方法和过程可由计算机、处理器、机器、设备或其他硬件部件或它们的组合来执行。因此，所述和/或所示的各种动作、操作、过程、步骤和/或功能可按所述和/或所示的序列执行，并行执行，或在一些情况下省略。同样，处理的顺序不一定是实现本文所述示例性实施方案的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供。可根据所使用的特定策略来反复执行所示动作、操作、过程、步骤和/或功能中的一者或多者。此外，所述动作、操作、过程、步骤和/或功能可通过编程到电子控制系统的计算机可读存储介质的非暂态存储器中的指令、软件代码和/或固件来实现，其中所述动作通过执行电子控制系统的指令、软件代码和/或固件来执行，包括上文结合电子控制器、计算机或处理器所述的各种部件。

本书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使相关领域中的普通技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何方法。本公开可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件或方法步骤，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元件或方法步骤，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种X射线管(100)的阴极组件(102，170)，包括：

发射器组件(180)，所述发射器组件包括耦接到发射器支撑结构(300)的发射器(110)；和

电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)，所述电极组件包括电极叠堆和多个偏置电极；

其中所述发射器组件(180)包括耦接在一起的多个独立部件；

其中所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)包括耦接在一起的多个独立部件；并且

其中所述发射器组件(180)耦接到所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)。

2.根据权利要求1所述的阴极组件(102，170)，其中所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)被配置为在其中接纳所述发射器组件(180)。

3.根据权利要求2所述的阴极组件(102，170)，其中所述发射器支撑结构(300)包括多个单独部件，所述多个单独部件耦接在一起并且使用至少一个高精度对齐工具在所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)的开口(218)内精确对齐并且耦接到所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)。

4.根据权利要求1所述的阴极组件(102，170)，其中所述发射器支撑结构(300)包括横杆(302)、延伸穿过所述横杆(302)中的至少两个开口(304)的至少两个绝缘柱(306)。

5.根据权利要求4所述的阴极组件(102，170)，其中所述发射器支撑结构(300)还包括至少一个热屏罩(350)，所述热屏罩利用至少两个热屏罩支撑件(352)附接到所述横杆(302)的顶表面。

6.根据权利要求1所述的阴极组件(102，170)，其中所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)包括多个交替的金属导体环(212)、多个陶瓷绝缘体环(214)和多个偏置电极(224，226，228)。

7.根据权利要求1所述的阴极组件(102，170)，其中所述多个交替的金属导体环(212)和陶瓷绝缘体环(214)同心地布置，从而形成所述电极叠堆(210A)，所述电极叠堆具有延伸穿过其的开口(218)。

8.根据权利要求7所述的阴极组件(102，170)，其中所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)还包括耦接到所述电极叠堆(210A)的多个偏置电极(224，226，228)。

9.根据权利要求8所述的阴极组件(102，170)，其中所述多个偏置电极(224，226，228)包括至少两个宽度电极(224)、至少两个长度电极(226)和至少一个聚焦电极(228)。

10.根据权利要求1所述的阴极组件(102，170)，其中所述电极组件(210A，220A，230A，240A，250A)包括：多个导体(212)；多个绝缘体(214)，所述多个绝缘体定位在所述多个导体(212)之间并且将所述多个导体(212)分开以形成电极叠堆(210A)；和多个偏置电极(224，226，228)，所述多个偏置电极定位在所述电极叠堆(210A)内以用于控制和聚焦由所述发射器(110，190)生成的电子束，其中所述多个偏置电极(224，226，228)使用高精度模具在所述电极叠堆(210A)内精确对齐。

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