CN204029760U - X射线靶组件 - Google Patents

Abstract

一种X射线靶组件，包括靶材，所述靶材具有接收高能电子束轰击的第一表面，所述第一表面具有受轰击部位；还包括导热层，所述导热层至少覆盖所述受轰击部位并与所述受轰击部位贴合。导热层使得靶材的受轰击部位与空气隔绝，并使得受轰击部位的热量能够快速散发出去，因此可以在防止靶材受轰击部位的氧化和表面腐蚀的同时，提升高能电子束的入射功率，提高X射线剂量率。

Description

X射线靶组件

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，具体涉及一种X射线靶组件。

背景技术

X射线被广泛应用于现代医学诊断和治疗，尤其是肿瘤治疗。

现有技术中，高能电子束轰击靶材，在靶材内发生轫致辐射(高能带电粒子在突然减速时产生的一种辐射)而产生X射线。高能电子束一般由加速器高压加速形成，靶材可由例如钨、金、铊、铁、铜、镍等材料制成。

高能电子束轰击靶材时，产生X射线的转换效率很低，通常只有15％左右，高能电子束的大部分能量都被靶材吸收，产生热量。当机器要求提供的剂量率越大(单位时间产生的X射线剂量)，则要求高能电子束的入射功率越大，同时积聚在靶材上热量也越多，如果热量不能得到及时散发，则会导致靶材表面的融化，严重时击穿，长久使用，靶材表面被氧化，产生变形，导致靶材的使用寿命降低，大大降低了射线治疗的安全性。因此靶材的散热成为一个亟待解决的问题。

现有技术中有一种X射线靶组件(现有技术一)，如图1所示，靶组件包括暴露于空气中的靶材11(例如钨靶)和具有高导热率的导热金属12，导热金属12具有凹槽14，靶材11位于凹槽14中，靶材11的下表面与凹槽14的底部贴合、上表面用于接收高能电子束的轰击；另外，导热金属12中嵌设有冷却水管道13。通过上述结构，导热金属12可将积聚于靶材11下表面的热量迅速传导至冷却水管道13，通过冷却水管道13中冷却水的作用散发出去。

这种靶组件的缺陷在于：一是由于靶材与空气接触，加上靶材受轰击部位温度较高，导致该部位容易氧化、易被腐蚀；二是靶材的散热不好，为了保证其使用寿命，只能降低高能电子束的入射功率，以保证靶组件在使用时处于安全温度范围内，这使得X射线的剂量率受到限制。

现有技术中有另一种X射线靶组件(现有技术二)，如图2所示，这种靶组件在现有技术一的基础上，将靶材11置于加速器的真空环境Q内，这样可以防止靶材的表面氧化和表面腐蚀。一方面，将X射线靶组件安装于真空环境内的工艺较复杂；另一方面，该靶组件没有解决现有技术一中散热不好的问题，导致该靶组件也不能在高能电子束大功率入射的情况下使用。

实用新型内容

本实用新型提供一种新的靶组件，可以在防止靶材的受轰击部位的氧化和表面腐蚀的同时，具有较好的散热效率，提升靶组件的X射线剂量率，且结构简单。

为解决上述问题，本实用新型提供一种X射线靶组件，包括靶材，所述靶材具有接收高能电子束轰击的第一表面，所述第一表面具有受轰击部位；还包括导热层，所述导热层至少覆盖所述受轰击部位并与所述受轰击部位贴合。

可选的，所述靶组件为固定靶或旋转靶。

可选的，所述导热层覆盖所述第一表面。

可选的，还包括散热部，所述靶材具有与所述第一表面相背的第二表面，所述第二表面与所述散热部贴合。

可选的，所述散热部具有凹槽，所述靶材和所述导热层位于所述凹槽内，所述导热层与所述凹槽的侧壁贴合。

可选的，所述散热部中具有至少一条冷却液通道。

可选的，所述散热部的材质为导热金属。

可选的，所述导热层的材质为石墨或石墨的改性材料,或者为抗氧化的金属或合金。

可选的，所述导热层包括基础层和抗氧化层，所述基础层为铍、铁，或铍、铁的改性材料中的至少一种；所述基础层至少与所述受轰击部位贴合，所述抗氧化层位于所述基础层与所述受轰击部位相背的一侧、覆盖所述基础层并与所述基础层贴合。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：

在靶材的受轰击部位设置导热层，导热层使得靶材的受轰击部位与空气隔绝，并使得受轰击部位的热量能够快速散发出去，因此可以在防止靶材受轰击部位的氧化和表面腐蚀的同时，提升高能电子束的入射功率，提高X射线剂量率。

附图说明

图1是现有技术中一种X射线靶组件的剖面结构示意图；

图2是现有技术中另一种X射线靶组件的剖面结构示意图；

图3是本实用新型实施例一中X射线靶组件的剖面结构示意图；

图4是本实用新型实施例一中固定靶材的结构示意图；

图5是本实用新型实施例一中旋转靶材的结构示意图；

图6是本实用新型实施例一中靶组件与现有技术中靶组件的束斑比较图；

图7是本实用新型实施例一中靶组件与现有技术中靶组件的能谱图；

图8是本实用新型实施例二X射线靶组件中导热层的侧视图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

实施例一

本实施例提供一种X射线靶组件100，参照图3，包括靶材101、导热层102和散热部103。

结合图4-5所示，靶材101具有接收高能电子束轰击的第一表面101a、以及与第一表面101a相背的第二表面101b，第一表面101a具有受轰击部位A，导热层102覆盖第一表面101a并与第一表面101a贴合。

导热层102是本实施例结构中的关键部件，理论上来说，导热层102材质的选取条件为：导热系数越大越好、密度越小越好、厚度越小越好。本实施例中，导热层102的材质选用石墨或石墨的改性材料。

散热部103的材质为导热金属，其一个表面上具有凹槽103a；散热部103中具有至少一条冷却液通道104，冷却液通道104中盛有冷却液，例如水等。靶材101和导热层102位于凹槽103a内，靶材101的第二表面101b与凹槽103a的底部贴合，导热层102与凹槽103a的侧壁贴合。导热层102在吸收了第一表面101a上的热量后，通过导热层102与凹槽103a侧壁贴合的部位，可以迅速地将热量传递至散热部103，然后由散热部103将热量传递至冷却液，最终通过冷却液的循环散发出去。

石墨或石墨改性材质的导热能力非常好，而且其导热率具有明显的各项异性，其沿晶体层面方向的导热率是垂直于晶体层面方向的导热率的数倍或数十倍，因此，设置导热层102的晶体层面方向与靶材的第一表面101a平行，利用石墨的上述性质，可以将积聚在受轰击部位A的热量沿平行于第一表面101a的方向快速传导至散热部103。

这里将石墨的导热性能与空气的导热性能作简单比较。对于任何导热物质，其导热率(单位时间内传导的热量)定义为：

$\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δt}}=\mathrm{\κ}\frac{\mathrm{A\ΔT}}{x}$

上式中，等式左边为导热率，κ为导热系数，A为导热面积，ΔT为温度差(即导热物质产生作用时，对热源形成的温度降幅)，x是导热物质的厚度。空气在标准状态下的导热系数为0.024W/m·K，石墨的导热系数为151W/m·K。假设A和x相同，温度为600K时，石墨沿晶体层面方向的导热率可达892W/m·K，是空气导热率的3万倍左右，以靶材101为钨靶为例，靶材101上覆盖厚度为0.5mm的石墨材质的导热层102，经计算，当入射电子功率为1000W时，受轰击部位A的温度降幅可达230～260摄氏度。显而易见地，相对于空气而言，导热层102具有更良好的导热效果，可以有效降低第一表面101a的热量积聚，因此可以对靶组件施加较高的高能电子束的入射功率，提高X射线剂量率。

另外，由于其垂直于第一表面101a方向的导热率较平行于第一表面101a方向要低一些，导热层102在该方向可以保持较高的温度梯度，使得导热层102与靶材101相背的一侧表面温度较低，以此保护石墨表面、使其不容易受到侵蚀。

导热层102除了可以起到传递热量的作用外，还有另外一个作用，就是隔绝靶材101的第一表面101a和空气，可以防止靶材101的第一表面101a受到氧化和表面腐蚀，对靶材101起到很好的保护作用。由于石墨本身具有抗氧化性，因此石墨材料的导热层102也不容易被氧化腐蚀，具有较长的使用寿命。

下面验证石墨材质的导热层对于电子束的束斑和光子能谱的影响(石墨层的密度为2.26g/cm³)。

本实施例中采用MC算法(Marching Cubes，移动立方体算法)计算了导热层102的厚度为0.5mm时对束斑的扩束作用。如图6所示，横坐标代表半径R(单位为cm)，纵坐标代表能量流(单位为Mev/cm²)，点状曲线a、实线状b分别代表传统靶组件设计(无导热层)和本实施例靶组件设计的束斑。从图6中可以看到，两条曲线a、b基本重合，所以在图中显示为一条曲线。也就是说，本实施例中导热层102对束斑的影响可以忽略不计，例如，本实验中采用束斑为1mm，能量为6Mev的电子束入射，电子束穿过导热层102后，在靶材101表面的束斑大小仍为1mm。

图7显示了导热层102对光子能谱的影响，其中横坐标代表能量(单位为Mev)，纵坐标代表相对强度，点状曲线aa代表传统靶组件设计(无导热层)的光子能谱，实线状曲线bb代表本实施例中靶组件设计的光子能谱，从图7中可以看到，两条曲线的峰值基本重合，因此导热层102对光子能谱的影响也可以忽略。

由此可见，本实施例中导热层102对靶组件性能的影响可以忽略不计。

在其他实施例中，导热层的厚度可以根据需要选取其他值。

其中，靶组件可以为固定靶或旋转靶。参照图4，当靶组件为固定靶时，受轰击部位A通常位于靶材101的中心区域；参照图5，当靶组件为旋转靶时，受轰击部位A形成一个环形。

在其他实施例中，导热层的面积也可以小于第一表面的面积，但须保证导热层至少覆盖受轰击部位并与受轰击部位贴合；靶材和导热层还可以直接设置于散热部的表面，而不一定需要设置在凹槽中，只要保证导热层与散热部具有贴合部分即可；另外，根据靶材的散热要求，也可以不设置散热部，此时可以设置导热层只覆盖受轰击部位，此时受轰击部位的热量可以通过导热层散发到空气中。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，参照图4-5并结合图8所示，导热层102在结构上包括基础层102a和抗氧化层102b，基础层102a为铍、铁，或铍、铁的改性材料中的至少一种。

其中，基础层102a至少与受轰击部位A贴合，抗氧化层102b位于基础层102a与受轰击部位A相背的一侧、覆盖基础层102a并与基础层102a贴合。

如果作为基础层102a的铍、铁的改性材料本身就具有抗氧化性，则可以省去抗氧化层102b的设置。

为了降低导热层102对入射电子束的束斑和能谱的影响，导热层102至少需要满足：导热层102的导热系数大于15W/m·K，密度小于19g/cm3，导热层102的厚度根据所选材料的密度和导热系数决定。

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 (7)

1.一种X射线靶组件，包括靶材，所述靶材具有接收高能电子束轰击的第一表面，所述第一表面具有受轰击部位；

其特征在于，还包括导热层，所述导热层至少覆盖所述受轰击部位并与所述受轰击部位贴合。

2.如权利要求1所述的X射线靶组件，其特征在于，所述靶组件为固定靶或旋转靶。

3.如权利要求1所述的X射线靶组件，其特征在于，所述导热层覆盖所述第一表面。

4.如权利要求1-3任一项所述的X射线靶组件，其特征在于，还包括散热部，所述靶材具有与所述第一表面相背的第二表面，所述第二表面与所述散热部贴合。

5.如权利要求4所述的X射线靶组件，其特征在于，所述散热部具有凹槽，所述靶材和所述导热层位于所述凹槽内，所述导热层与所述凹槽的侧壁贴合。

6.如权利要求4所述的X射线靶组件，其特征在于，所述散热部中具有至少一条冷却液通道。

7.如权利要求1所述的X射线靶组件，其特征在于，所述导热层包括基础层和抗氧化层，所述基础层为铍、铁，或铍、铁的改性材料中的至少一种；

所述基础层至少与所述受轰击部位贴合，所述抗氧化层位于所述基础层与所述受轰击部位相背的一侧、覆盖所述基础层并与所述基础层贴合。