CN117727607B - X射线管及用于x射线管的管芯组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种X射线管及用于X射线管的管芯组件，所述X射线管的管芯组件，包括：阳极组件，包括阳极靶盘，所述阳极靶盘具有靶面；阴极组件，包括：阴极头，所述阴极头用于发射轰击所述靶面的电子束，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线相交；阴极底板，用于安装所述阴极头，所述阴极底板朝向所述阳极靶盘的表面的电势与所述阳极靶盘的电势相同。上述方案可以提高有效X射线的转换率并减少阳极靶盘吸收的电子数量，进而降低阳极靶盘的温度，提高管芯组件以及X射线管的可靠性。

Description

X射线管及用于X射线管的管芯组件

技术领域

本发明实施例涉及X射线管技术领域，尤其涉及一种X射线管及用于X射线管的管芯组件。

背景技术

X射线管是医疗设备领域常用的部件，通常用于电子计算机断层扫描（ComputedTomography，CT）成像。在X射线管工作时，阴极组件中的灯丝发出的电子束在高压电场的作用下轰击阳极靶盘的靶面。电子束中的电子只有很少一部分通过X光窗口转换为有效X射线用于成像，绝大部分电子被靶盘吸收而转换成热能，存储于管芯组件的阳极组件。

然而，目前的X射线管的有效X射线转化率较小，并且阳极组件承受的热能较大，影响X射线管的可靠性。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是目前的X射线管的有效X射线转化率较小，并且阳极组件承受的热能较大，影响X射线管的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于X射线管的管芯组件，包括：阳极组件，包括阳极靶盘，所述阳极靶盘具有靶面；阴极组件，包括：阴极头，所述阴极头用于发射轰击所述靶面的电子束，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线相交；阴极底板，用于安装所述阴极头，所述阴极底板朝向所述阳极靶盘的表面的电势与所述阳极靶盘的电势相同。

可选的，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线的夹角范围为15度至85度。

可选的，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线的夹角范围为30度至60度。

可选的，所述阳极靶盘接地。

可选的，所述阴极组件包括包覆所述阴极头的阴极罩，所述阴极罩绝缘，且所述阴极罩的外表面涂覆半导体涂层。

可选的，所述阴极组件还包括金属法兰，所述金属法兰套设于所述阴极罩并与所述半导体涂层相接，所述金属法兰接地。

可选的，所述阴极组件还包括阴极外壳，所述阴极外壳套设于所述阴极罩，并与所述金属法兰以及所述阴极底板连接。

可选的，所述阴极底板具有空腔、与所述空腔导通的冷却液进口以及冷却液出口，其中，所述空腔内设置有冷却液流道。

可选的，所述冷却液流道内设置有多个散热片，所述多个散热片连接于所述阴极底板。

可选的，所述多个散热片中的至少部分散热片的延伸方向与所述冷却液流道的延伸方向不同。

可选的，所述冷却液流道环绕所述阴极头。

可选的，所述阴极底板的外围且靠近X光窗口的区域具有凹陷部，所述凹陷部朝向远离所述阳极靶盘的方向凹陷，用于避让被所述阳极靶盘反射的电子束。

本发明实施例还提供一种X射线管，包括：上述任一种用于X射线管的管芯组件。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

阴极头发射的电子束的方向与靶面的法线相交（也即以倾斜的方向入射至靶面），相比现有中的阴极头垂直于靶面（也即阴极头发射的电子束的方向与靶面的法线平行），可以增大电子束的入射角，进而提高被反射的电子的数量，通过提高被反射的电子的数量来提高产生有效X射线的电子的数量，也即提高有效X射线的转化率。由于阴极底板朝向阳极靶盘的表面的电势与阳极靶盘的电势相同，被反射的电子在阴极头与阳极靶盘之间的高压电场作用下，部分电子流向阴极底板，从而可以减少轰击阳极靶盘的电子数量，进而减少阳极靶盘的热量，以减少阳极组件承受的热能，提高管芯组件的可靠性。如此，可以提高有效X射线的转化率，并提高管芯组件的可靠性及X射线管的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种管芯组件的结构示意图；

图2是图1沿剖面线A-A的剖视图；

图3是本发明实施例中的一种阴极组件的结构示意图；

图4是本发明实施例中的一种管芯组件的一部分结构示意图；

图5是图4沿剖面线B-B的剖视图；

附图标记说明：

100-管芯组件；1-阳极组件；11-阳极靶盘；12-靶面；2-阴极组件；21-阴极头；22-阴极底板；221-空腔；222-冷却液进口；223-冷却液出口；224-冷却液流道；225-散热片；226-安装口；227-底盘；228-端盖；23-阴极罩；24-半导体涂层；25-金属法兰；26-阴极外壳；3-管芯壳；31-真空腔体；32-X光窗口；4-轴承组件；y-电子束的入射方向；z-靶面的法线。

具体实施方式

如上所述，X射线管（也可以称为球管）是医疗设备领域常用的部件，用于产生能够成像的X射线。例如，X射线管用于CT成像。阴极组件中的灯丝发出的电子束在阴极组件和阳极组件之间的高压电场的作用下轰击阳极靶盘的靶面（也可以称为电子轨道）。电子束中的一部分电子在第一次撞击阳极靶盘后被阳极靶盘吸收，另一部分电子撞击阳极靶盘后被阳极靶盘反射。在高压电场的作用下，被阳极靶盘反射的电子中的大部分电子又回到靶盘产生二次撞击后被阳极靶盘吸收，被阳极靶盘反射的电子中的少部分电子在高压电场的作用下，撞向管芯腰箍（也可以称为管芯壳），其中一部分被腰箍吸收，另一小部分通过腰箍X光窗口形成X射线，以用于CT成像。所有被阳极靶盘吸收的电子的能量都会转换成热能，存储于阳极靶盘。阳极靶盘的热量通常采用辐射散热或者通过与阳极靶盘连接的轴承组件散热。目前，X射线管的阴极电子枪垂直于靶盘，至少90%以上的电子被阳极靶盘吸收，只有很少部分的电子流向腰箍，经研究发现这种设计布局流向腰箍的电子中也只有小部分电子形成有效X射线，通常只有少于5% 的X光通过窗口用于成像，也即用于形成有效X射线的电子较少，有效X射线转换率较小。由于X光的转换率较小，大部分电子流向阳极靶盘转换成热量存储于阳极靶盘，导致阳极组件承受较大的热能，这导致阳极组件中的部件设计、材料选择等方面非常有限，并且阳极组件所承受的较大热能影响X射线管的可靠性。综上，目前的X射线管的有效X射线转化率较小，并且阳极组件承受的热能较大，影响X射线管的可靠性。

为解决上述问题，在本发明实施例中，阴极头发射的电子束的方向与靶面的法线相交（也即以倾斜的方向入射至靶面），相比现有中的阴极头垂直于靶面（也即阴极头发射的电子束的方向与靶面的法线平行），也即阴极头发射的电子束的方向与靶面的法线平行而言，可以增大电子束的入射角，进而提高被靶面反射的电子的数量，通过提高被反射的电子的数量来提高产生有效X射线的电子的数量，也即提高有效X射线的转化率。由于阴极底板朝向阳极靶盘的表面的电势与阳极靶盘的电势相同，被反射的电子在阴极头与阳极靶盘之间的高压电场作用下，部分电子流向阴极底板，从而可以减少轰击阳极靶盘的电子数量，进而减少阳极靶盘的热量，以减少阳极组件承受的热能，提高管芯组件的可靠性。如此，可以提高有效X射线的转化率，并提高管芯组件的可靠性及X射线管的可靠性。

为使本发明实施例的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例中的一种管芯组件的结构示意图；图2是图1沿剖面线A-A的剖视图；图3是本发明实施例中的一种阴极组件的结构示意图；图4是本发明实施例中的一种管芯组件的一部分结构示意图；图5是图4沿剖面线B-B的剖视图。下面结合图1至图5对用于X射线管的管芯组件的具体结构进行说明。

本发明提供一种用于X射线管的管芯组件100（下文简称管芯组件），管芯组件100包括：阳极组件1以及阴极组件2。阳极组件1包括阳极靶盘11，所述阳极靶盘11具有靶面12。阴极组件2包括：阴极头21以及阴极底板22。所述阴极头21用于发射轰击所述靶面12的电子束，所述电子束的入射方向y与所述靶面的法线z相交。阴极底板22用于安装所述阴极头21，所述阴极底板22朝向所述阳极靶盘11的表面的电势与所述阳极靶盘11的电势相同。

在一些实施例中，电子束的入射角α指电子束的方向y与靶面的法线z的夹角。

由上述方案可知，阴极头21发射的电子束的方向y与靶面的法线z相交（也即以倾斜的方向入射至靶面），相比现有中的阴极头21垂直于靶面12（也即阴极头21发射的电子束的方向y与靶面的法线z平行），可以增大电子束的入射角，进而提高被靶面反射的电子的数量，尤其可以提高朝向X光窗口的方向反射的前向出射电子的比例，通过提高被靶面12反射的电子的数量来提高产生有效X射线的电子的数量，也即提高有效X射线的转化率以及提高反射电子的能量在电子束总能量中的占比。由于阴极底板22朝向阳极靶盘11的表面的电势与阳极靶盘11的电势相同，被靶面12反射的电子在阴极头21与阳极靶盘11之间的高压电场作用下，部分电子流向阴极底板22，从而可以减少轰击阳极靶盘11的电子数量，进而减少阳极靶盘11的热量，以减少阳极组件1承受的热能，提高管芯组件100的可靠性。如此，可以提高有效X射线的转化率，并提高管芯组件100的可靠性及X射线管的可靠性。

在一些实施例中，阴极底板22上还设置有安装口226，安装口226贯穿阴极底板22，安装口226为阴极头21发射的电子束提供通路，以使得阴极头21发射的电子束通过阴极底板22并轰击阳极靶盘11的靶面12。

在具体实施中，所述电子束的入射方向y与所述靶面的法线z的夹角范围为15度至85度。如此，可以较好的平衡被阳极靶盘11的靶面12反射的电子量，尤其是增加朝向X光窗口32的前向反射电子的数量，以增加被靶面12反射的电子通过X光窗口32形成X光的电子量，也即产生X光的有效电子的数量。在提高有效X射线转化率的同时，降低阳极靶盘11的吸收的电子数量，降低阳极靶盘11的温度。

在一些非限制性实施例中，电子束的入射方向y与所述靶面的法线z的夹角范围为30度至60度，以进一步提高有效X射线转化率，降低阳极靶盘11的吸收的电子数量，降低阳极靶盘11的温度。

在具体实施中，所述阳极靶盘11接地。阴极底板22朝向阳极靶盘11的表面接地，也即电势为零。阴极头21与阳极靶盘11之间的电势差具有高压电场。阴极头21的阴极灯丝发出的电子束在高压电场的作用下打在阳极靶盘11的靶面12（也可以称为电子轨道）上。电子束中的一部分电子在第一次撞击阳极靶盘11的靶面12后被阳极靶盘11吸收，另一部分电子撞击阳极靶盘11的靶面12后被阳极靶盘11反射，在高压电场的作用下，被阳极靶盘11的靶面12反射的电子中的部分散射到与阳极靶盘11同电势的阴极底板22朝向阳极靶盘11的表面，而被阴极底板22朝向阳极靶盘11的表面吸收，如此可以减少阳极靶盘11吸收的电子数量，降低阳极靶盘11的热量。

在一些实施例中，阴极头21的电势为负电势，以形成阴极头21和阳极靶盘11之间的高压电场。如此，也即阴极头21采用单级电极设计，可以简化管芯组件100的结构以及降低X射线管的成本。例如，阴极头21的电位为-75千伏。可以理解的是，阴极头21的电位根据需求也可以配置为其他取值，此处不作限定。

在具体实施中，所述阴极组件2包括包覆所述阴极头21的阴极罩23，所述阴极罩23绝缘，且所述阴极罩23的外表面涂覆半导体涂层24。半导体涂层24可以起到绝缘效果的同时，还可以将电子从阴极罩23导出，避免电子在阴极罩23上积累。

在一些非限制性实施例中，阴极罩23可以采用陶瓷材料制备而成，以使得阴极罩23具有较好的绝缘性能的同时，具有较好的强度和耐热性能。

在一些实施例中，所述阴极组件2还可以包括金属法兰25，所述金属法兰25套设于所述阴极罩23并与所述半导体涂层24相接，所述金属法兰25接地。由于金属法兰25与半导体涂层24相接，且金属法兰25接地，如此便于将半导体涂层24上的电子导出，避免电子在阴极罩23上积累。

在一些实施例中，金属法兰25套设于所述阴极罩23并与所述半导体涂层24相接可以指金属法兰25与半导体涂层24相邻，且两者之间没有间隙。

在另一些实施例中，金属法兰25套设于所述阴极罩23并与所述半导体涂层24相接可以指金属法兰25至少部分压接于半导体涂层24，也即金属法兰25的至少部分套设于半导体涂层24的外部。

在具体实施中，所述阴极组件2还包括阴极外壳26，所述阴极外壳26套设于所述阴极罩23，并与所述金属法兰25以及所述阴极底板22连接。

在具体实施中，所述阴极底板22具有空腔221、与所述空腔221导通的冷却液进口222以及冷却液出口223，其中，所述空腔221内设置有冷却液流道224。

在一些实施例中，冷却液流道224为单向流道，冷却液自冷却液进口222流入，并在冷却液流道224的引导下，自冷却液出口223流出。

在一些非限制性实施例中，冷却液进口222和冷却液出口223可以设置于阴极底板22背离阳极靶盘11的表面。其中，阴极底板22背离阳极靶盘11的表面与面向阳极靶盘11的表面相对设置。阴极底板22背离阳极靶盘11的表面位于管芯组件100的真空腔体31外，阴极底板22面向阳极靶盘11的表面位于管芯组件100的真空腔体31内。

在具体实施中，所述冷却液流道224内设置有多个散热片225，所述多个散热片225连接于所述阴极底板22。

多个散热片225凸出于冷却液流道224的底面，以增大冷却液与阴极底板22的热交换面积，提高热对流换热效果，进而提高冷却液对阴极底板22的冷却效果。

多个散热片225可以呈立方体形、长方体形、锥形、菱面体、球体等多种合适的形状。

多个散热片225可以均匀地排布于冷却液流道224，也可以非均匀地排布于冷却液流道224。

所述多个散热片225中的至少部分散热片225的延伸方向与所述冷却液流道224的延伸方向不同。如此，冷却液在冷却液流道224内流动时，多个散热片225可以对冷却液起到扰动的效果，使得冷却液在冷却液流道224内以紊流（也可以称为扰流）的方式流动，进一步提高冷却液与阴极底板22的换热效果，避免阴极底板22过热。

在一些非限制性实施例中，为便于形成阴极底板22中的空腔221，阴极底板22可以包括底盘227和端盖228。端盖228盖合于底盘227，并与底盘227密封连接。端盖228与底盘227配合形成空腔221。用于形成空腔221的凹槽可以全部位于底盘227；也可以部分位于底盘227，部分位于端盖228，还可以全部位于端盖228。

端盖228和底盘227可以通过焊接（如钎焊等）或者粘接等方式连接，可以理解的是，端盖228和底盘227也可以通过其他方式连接，只需保证端盖228和底盘227连接的牢靠性，确保阴极底板22在使用过程中的密封性即可。

阴极底板22朝向阳极靶盘11的表面设置于底盘227，阴极底盘22背离阳极靶盘11的表面设置于端盖228。冷却液进口222以及冷却液出口223设置于端盖228，并穿过端盖228与冷却液流道224导通。

在一些非限制性实施例中，管芯组件100还包括管芯壳3，管芯壳3与阴极底板22连接。例如，管芯壳3与底盘227连接。管芯壳3具有真空腔体31，阳极靶盘11位于真空腔体31内，阴极底板22的至少部分位于真空腔体31内，例如，阴极底板22的底盘227的部分位于真空腔体31内，阴极底板22的端盖228位于真空腔体31外。

进一步，底盘227是一次机加工成型的，如此，以避免冷却液流道224内的冷却液泄漏到真空腔体31内。

当冷却液流道224内设置有散热片225时，散热片225可以一体成型与阴极底板22。例如，散热片225与底盘227一体成型。散热片225也可以通过焊接（如钎焊等）或者粘接等方式连接于底盘227。

在一些实施例中，所述冷却液流道224环绕所述阴极头21。冷却液流道224可以完全包围阴极头21，也可以部分包围阴极头21。

在一些非限制性实施例中，所述阴极底板22的外围且靠近X光窗口32的区域具有凹陷部（图中未示意），所述凹陷部朝向远离所述阳极靶盘11的方向凹陷，用于避让被所述阳极靶盘11反射的电子束。

在具体实施中，凹陷部与阳极靶盘11的靶面12的部分相对设置，通过设置的凹陷部可以增加阴极底板22的凹陷部区域与靶面12之间的距离，当电子束中的部分电子被靶面12反射时，凹陷部可以提供相对充足的距离，避免挡住被靶面12反射电子的运动路径，使得被反射电子能够顺畅地到达X光窗口32。

例如，沿着阴极底板22的边缘朝向阴极底板22的中心区域的方向，设置有凹陷部。

在一些实施例中，阴极底板22与阳极靶盘11的距离小于预设阈值，如此可以进一步增加被靶面12反射后的电子轰击在阴极底板22上的电子量，以进一步减少阳极靶盘11吸收的电子能量。

需要说明的是，管芯组件100还可以包括用于驱动阳极靶盘11转动的轴承组件4以及一些其他部件，此处不再赘述。

本发明实施例还提供一种X射线管，包括：上述任一种用于X射线管的管芯组件。管芯组件的具体结构可以采用上述任一实施例提供的管芯组件100，关于管芯组件100的具体结构参见上述实施例中的描述，此处不在赘述。

本申请实施例中出现的“多个”是指两个或两个以上。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于X射线管的管芯组件，其特征在于，包括：

阳极组件，包括阳极靶盘，所述阳极靶盘具有靶面；

阴极组件，包括：

阴极头，所述阴极头用于发射轰击所述靶面的电子束，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线相交；

阴极底板，用于安装所述阴极头，所述阴极底板朝向所述阳极靶盘的表面的电势与所述阳极靶盘的电势相同；

阴极罩，包覆所述阴极头，所述阴极罩绝缘，且所述阴极罩的外表面涂覆半导体涂层；

金属法兰，套设于所述阴极罩并与所述半导体涂层相接，所述金属法兰接地，所述金属法兰套设于所述阴极罩并与所述半导体涂层相接指所述金属法兰与所述半导体涂层相邻且两者之间没有间隙，或者所述金属法兰至少部分压接于所述半导体涂层；

其中，所述阳极靶盘接地。

2.如权利要求1所述的管芯组件，其特征在于，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线的夹角范围为15度至85度。

3.如权利要求2所述的管芯组件，其特征在于，所述电子束的入射方向与所述靶面的法线的夹角范围为30度至60度。

4.如权利要求1所述的管芯组件，其特征在于，所述阴极组件还包括阴极外壳，所述阴极外壳套设于所述阴极罩，并与所述金属法兰以及所述阴极底板连接。

5.如权利要求2至4任一项所述的管芯组件，其特征在于，所述阴极底板具有空腔、与所述空腔导通的冷却液进口以及冷却液出口，其中，所述空腔内设置有冷却液流道。

6.如权利要求5所述的管芯组件，其特征在于，所述冷却液流道内设置有多个散热片，所述多个散热片连接于所述阴极底板。

7.如权利要求6所述的管芯组件，其特征在于，所述多个散热片中的至少部分散热片的延伸方向与所述冷却液流道的延伸方向不同。

8.如权利要求5所述的管芯组件，其特征在于，所述冷却液流道环绕所述阴极头。

9.如权利要求2至4任一项所述的管芯组件，其特征在于，所述阴极底板的外围且靠近X光窗口的区域具有凹陷部，所述凹陷部朝向远离所述阳极靶盘的方向凹陷，用于避让被所述阳极靶盘反射的电子束。

10.一种X射线管，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的用于X射线管的管芯组件。