專利名稱：X射線管的復合框架的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及X射線管技術領域。本發(fā)明發(fā)現了復合框架在X射線管的具體應用，有助于散熱并同時保持高的強度和剛性，并通過具體實例進行介紹。應當理解，本發(fā)明可應用于不同的希望高效傳遞熱量的應用場合。
背景技術：
X射線管包括真空包殼或框架，以容納陰極組件和陽極組件。100到200KV量級的高電勢施加到陰極組件和陽極組件之間。陰極組件發(fā)射的帶有足夠能量的電子撞擊陽極的目標區(qū)，產生X射線。但是不是所有的能量轉換為X射線。大部分的能量轉換成熱量，導致目標區(qū)的局部加熱以及后來的包殼加熱。為了使得X射線產生期間形成的熱負荷發(fā)散，恒定流速的冷卻流體，如介電油，在X射線產生期間保持在框架周圍流動。
傳統(tǒng)上，X射線管包殼用玻璃形成。玻璃容易成形，便宜和熱輻射可通過。但是，其具有許多缺點。在表面發(fā)生變形時容易破裂。因為玻璃是易碎材料，這些破壞常常是快速和不能預計的。破裂還容易發(fā)生在玻璃承受熱梯度時，如果玻璃很厚容易加劇這個現象。玻璃還容易因蒸發(fā)的材料集聚在表面而產生高壓擊穿，喪失絕緣性。具體地，在計算機輔助X線斷層攝影術CT的掃描器，增加的臺架速度在框架上產生力，使玻璃包殼難以承受。
開始用金屬如銅，不銹鋼和鎳鐵合金來代替玻璃，用于高性能場合，如高速CT掃描器，的框架的材料，同時使用玻璃或陶瓷作為陰極和陽極端部，以提供電絕緣。這些特定金屬都是高純度，以具有適合真空條件的低除氣性。這些特定材料還能夠抵抗X射線管產生的高溫(大約500℃)。銅是高效的導熱體，由于退火銅的低屈服強度，是一種比較軟的金屬，在高溫或高壓下容易出現蠕變(塑性變形)。銅框架因此在較高旋轉速度產生的力的作用下容易變形，如X射線管繞病人檢查區(qū)一秒鐘一圈或更低的速度旋轉時。變形可導致陽極目標區(qū)的焦點的定位精度降低。銅的蠕變傾向還通過限制框架的烘烤溫度，影響到烘烤，加工和清潔管所用程序。
隨著臺架速度增加到大約120rpm和要求速度進一步增加，以提高心臟和其他器官的成像，制造商已經采用不銹鋼來形成框架。盡管其機械強度高，但不銹鋼框架從框架一部分傳遞熱量到另一部分的效率不如銅框架。此外，傳輸熱量到冷卻液體也比銅慢?？蚣艿木植考訜崛菀装l(fā)生在通過框架的導熱速率低的情況下。因陽極的熱量沖擊不銹鋼框架，框架的溫度可達到足夠高，使冷卻油分解。X射線管窗口周圍因為焦點熱量和二次電子很容易出現這個問題。由于冷卻油分解而形成的碳污染冷卻油，這可導致電弧形成。X射線管的能量輸出受限于框架傳遞來自X射線管的熱量的能力。
本發(fā)明提供了一種新的和改進的方法和裝置，可克服上面提到的問題以及其他問題。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種X射線管。該X射線管包括形成真空腔的框架。陽極設置在真空腔內?？蚣馨▏@陽極的容器。容器包括由高導熱性材料形成的襯里，該材料至少部分形成真空腔。支承襯里的框架用結構材料形成?？蚣苤辽傩纬梢粋€熱窗，襯里通過熱窗與真空腔和周圍的冷卻流體熱接觸。
根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種從X射線管傳遞熱量到周圍冷卻流體的方法。該方法包括通過X射線管的用導熱材料制成的襯里從真空腔傳導熱量。用結構框架約束襯里防止變形。
根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種X射線管。X射線管包括導熱襯里，將X射線管的真空腔與周圍的冷卻流體隔開。結構框架增強襯里。襯里和結構框架中的一個可疊置在另一個中，形成容納陽極的容器。
本發(fā)明的至少一個實施例的優(yōu)點是提供的X射線管框架能夠抵抗高臺架速度產生的力。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一優(yōu)點是框架很容易連接到X射線管的其他部件。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一優(yōu)點是X射線管能夠充分冷卻，并避免冷卻油的局部分解。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一優(yōu)點是框架在銅焊后可以加工，無須提供特殊工具來支承框架的內側。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一優(yōu)點是可使得焦點和陽極到陰極的間距在掃描期間產生的大外力下保持穩(wěn)定。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一優(yōu)點是可延長X射線管的壽命。
閱讀和了解下面對優(yōu)選實施例的詳細介紹的所屬領域的技術人員可了解本發(fā)明還有的其他優(yōu)點。


本發(fā)明可采用各種元件形式和元件設置，和采取各種步驟和步驟安排。附圖只是用于說明優(yōu)選實施例，不是用于限制本發(fā)明。
圖1是根據本發(fā)明的的X射線管組件透視圖；圖2是圖1的X射線管容器的第一實施例的側視截面圖；圖3是圖2的容器的透視圖；圖4是圖2的容器的分解透視圖；圖5是圖1的X射線管容器的第二實施例的側視截面圖；圖6是圖5的容器的透視圖；圖7是圖1的X射線管容器的第三實施例的側視截面圖；
圖8是圖7的容器的透視圖；圖9是圖1的X射線管容器的第四實施例的透視圖；和圖10是圖9的容器的側視截面圖。
具體實施例方式
參考圖1，顯示了用于醫(yī)學診斷系統(tǒng)，如計算機輔助X線斷層攝影術(CT))的掃描器，的X射管組件10，用來提供X射線輻射束。X射線管組件10包括X射線管11，其包括陽極12，可旋轉地固定到真空腔14。真空腔由包殼或框架16形成，在圖1中部分剖開顯示。X射線管陽極12支承于軸17，其安裝成可繞軸線x通過18表示的支承組件轉動。加熱的陰極組件20提供和聚焦電子束A。陰極帶有相對陽極10的偏壓，使得電子朝陽極加速。撞擊陽極目標區(qū)的部分電子轉變?yōu)閄射線B，X射線從X射線管通過框架中的X射線可透過的窗口22發(fā)射出。
X射線管組件10還包括殼體30，其中填充了導熱和電絕緣冷卻劑13，如介電油。殼體30圍繞X射線管11的框架16。冷卻液體引導流過窗口22，框架16，支承組件18，和X射線管組件10的其他散熱元件。
框架16包括桶狀容器40，其構成框架的最寬部分并圍繞陽極12。容器40直接接觸冷卻油13。容器40的上端42通過環(huán)形陰極板44封閉。陰極板44具有中心孔46，陰極20通過孔延伸。陰極的殼體或絕緣體48焊接或其他方式連接到圍繞孔46的陰極板44。用語“上”和“下”和類似用詞用于指示圖1的X射線管組件的方位。應理解組件在使用中可具有其他方位。
參考圖2，容器40的內徑朝其下端50減小。在圖示的實施例中，容器包括側壁52，形成圓柱形上部53，上部的下端連接到環(huán)形底部54。底部54形成有中心孔56，陽極軸1 7通過中心孔延伸?？?6的周圍是環(huán)形焊接凸緣57。容器40通過焊接凸緣57固定到框架的下部58，其上設有支承組件。框架的下部58可整體或部分采用玻璃或陶瓷，與金屬凸緣形成電絕緣，隔離陽極和陰極。
參考圖3和圖4，容器40由導熱材料和結構材料組合而成。導熱材料提供多個通過容器的導熱路徑60，從陽極12傳遞熱量到冷卻流體13，同時結構材料形成結構框架或骨架62，為容器提供足夠的剛度，以抵抗臺架高速旋轉造成的變形力，同時提供熱窗或開口，供冷卻流體通過導熱通道與真空腔熱接觸。導熱通道60由支承于框架62的管路64形成。
導熱材料最好具有至少為100瓦/米·K°的導熱系數，至少200瓦/米·K°更好，最好是至少350瓦/米·K°。導熱材料最好在X射線管的低真空條件下不能或基本上不容易除氣。適當的導熱材料包括銅，銅鈹合金，其他的銅合金和類似材料。例如，導熱材料可用銅來制造，銅作為主要元素。導熱材料最好包括至少90％的銅，最好是至少99％的銅。高純度銅的導熱系數為大約400瓦/米·K°。銅基材料的導熱系數容易隨合金材料或雜質比例的增加而減小。相比之下，不銹鋼的導熱系數為10到25瓦/米·K°。一般地，結構材料的導熱系數小于導熱材料的導熱系數，一般小于導熱材料的導熱系數的一半。
結構材料的屈服強度最好是至少大約1400公斤/平方厘米，最好是至少2100公斤/平方厘米，采用ASTM D 882或類似的測試方法測量。示例性結構材料包括含鐵的材料，尤其是不銹鋼。其他的適合用于形成框架的高強度材料包括InconelTM和其他鎳合金，鈦，KovarTM和類似材料。不銹鋼的屈服強度大約為2800到3500公斤/平方厘米。與純銅相比，其屈服強度小于700公斤/平方厘米。一般地，導熱材料的屈服強度小于結構材料的屈服強度。一般小于結構材料的屈服強度的一半。結構材料的抗蠕變強度最好較高。結構材料的最低抗蠕變強度為350公斤/平方厘米，700公斤/平方厘米最好，這相當于在500℃使用10000小時的蠕變?yōu)?％。
在圖2和圖3的實施例中，容器40包括導熱材料形成的內襯里64，其支承于框架內并與框架62接觸。襯里64包括側壁66，形成一般為圓柱形的部分67，其下端連接環(huán)形底部68。底部形成有中心孔70。如圖4所示，X射線管11的窗口22設置成帶襯里的側壁的圓柱形部分67上的適當形狀的開口72，可以用鈹、鈦或類似金屬形成。將窗口22安裝到襯里64而不是框架62，提高了從窗口傳導的熱量，由于陽極目標區(qū)的電子偏轉，窗口經常發(fā)生過熱。例如，支架(未顯示)在帶襯里的側壁66的外表面73加工出。窗口22然后進行銅焊，焊接或其他方式，連接到支架。
或者，窗口22安裝到框架62，緊靠銅的熱通道60，以幫助散熱。在這種情況下，框架繞窗口密封到襯里，襯里上設有孔用于X射線通過。
容器的框架62的形狀類似于襯里64，包括帶有圓柱形壁部分75的側壁74，和環(huán)形底部76，凸緣57從底部延伸。底部76形成中心孔78，與襯里的開口70同心和具有類似尺寸。襯里的孔70和框架的孔78共同形成容器的中心孔56。
開口80，82分別在壁部75和底部76形成，用作框架內襯里64的熱窗。開口80，82(圖3顯示了12個角度間隔的開口)的尺寸加工成可優(yōu)化容器40的熱傳遞，同時使得襯里64比沒有結構框架的銅框架薄許多。所顯示的開口80，82一般為卵形，其他形狀和尺寸的開口也可采用。導熱通道60由部分的內襯里64形成，襯里暴露于通過開口80，82的冷卻流體。如圖4所示，至少一個開口80A位于窗口22上，使得離開框架16的X射線可穿過開口，不會受到框架干涉。
繼續(xù)參考圖3，框架62包括多個肋部84，位于各個開口80之間，平行于陽極的旋轉軸線X延伸。肋部84的上端和下端連接到框架的環(huán)形的環(huán)狀部分86，88。在底部76，徑向延伸的肋部90位于開口82之間，連接環(huán)形框架部分86到內環(huán)形框架部分92，其靠近孔78的附近。
應當理解，可考慮采用固定框架的其他結構。最簡單的形式是，框架成籠狀，包括上環(huán)形部分86，和內環(huán)形框架部分92，通過肋部連接。最好設置最少三個肋部84，90，其圍繞容器40角度間隔。肋部90可以簡單地是肋部84的延伸部。
為了改進襯里64的熱流動，襯里的外表面73，如在開口80，82的區(qū)域，設有翅片，突出部或其他表面特征94，以增加暴露于冷卻油的襯里的表面積。圖4以示例的方式顯示了帶有翅片94的表面73。雖然某些熱量流動到冷卻流體是通過接觸框架的外表面95，容器40的大部分熱傳遞是通過開口80，82形成的通道60。
框架62最好，至少在選擇的位置，連接到襯里64。在圖2和3所示的實施例中，框架62的內表面96連接到襯里的外表面73。這樣連接有助于減少在X射線管11加熱和冷卻期間以及X射線管繞病人轉動產生的力作用下襯里和框架之間的相對移動。在一個實施例中，框架銅焊到襯里，可覆蓋整個接觸區(qū)或選擇的位置。例如，框架62可選擇銅焊到襯里，在靠近環(huán)形部分86，92(見圖2)的密封區(qū)97，98形成密封。也可采用其他連接方法，例如，擴散連接或爆炸焊接可用來連接框架到襯里。在擴散焊接時，使用高壓將兩個部件壓到一起，最好能加熱到高溫。在爆炸焊接時，炸藥包用于強壓襯里和框架進行接觸。
在另一個連接方法中，框架62首先形成，然后襯里64鑄造到框架上(反過來也可以)?？蛇x擇將高導熱系數的襯里包圍結構框架。鑄造襯里然后進行適當的加工，不需設置內部支承結構來防止襯里變形。在又一方法中，制備好適當尺寸的用作襯里和框架的材料片(可選擇帶有開口80，82和孔70，78)。用壓頭將兩層或多層壓入模具中，在高壓下形成容器的形狀。
如圖2所示，框架62的側壁74延伸稍微超過襯里64的側壁66，提供焊接凸緣100，通過凸緣容器40焊接或以其他方式剛性連接到板44。
在圖2到圖4的實施例中，框架62完全位于襯里64的外面，因此一般不會暴露于真空環(huán)境下。因此，框架材料，如不銹鋼，無需去除容易在真空環(huán)境下造成放氣的雜質。但是一部分的框架暴露于真空環(huán)境，最好選擇框架材料使放氣的雜質最少。不銹鋼，InconelTM，鎳合金，鈦和KovarTM是與真空兼容的材料。定位襯里64接觸真空環(huán)境，使得表面102相對均勻地吸收熱量。
現在參考圖5和6，其中類似元件的標記帶有后綴`，容器40`包括導熱材料形成的外襯里64`和結構材料形成的框架62`。框架和襯里類似于圖2，3的襯里64和框架62，除了框架62`位于襯里64`的內部，框架的外表面95`連接到襯里的內表面102`。襯里的整個外表面73`，在這個實施例中，直接接觸冷卻劑。容器40`的另外特征類似于圖2到3的實施例。由于不銹鋼框架62`暴露于真空環(huán)境，框架材料最好不含或基本不含雜質，雜質容易在真空環(huán)境下造成放氣。部分襯里64`直接暴露于真空環(huán)境，這些部分最好不含可造成放氣的雜質。
銅和不銹鋼的組合非常適合形成襯里64，64`和框架62，62`。它們具有比較類似的熱膨脹系數。銅的熱膨脹系數是大約20×10-6厘米/厘米℃，稍高于不銹鋼的熱膨脹系數(大約10％)。銅襯里64位于鋼框架62的內部，這樣差別的熱膨脹系數對于容器的結構穩(wěn)定性的影響很小或沒有影向，因為鋼用于防止或基本限制銅襯里的膨脹，該膨脹超過不銹鋼的膨脹。即使襯里64`放置到框架62`的外面，襯里與框架的焊接或其他形式的連接可幫助減少銅從鋼膨脹開的傾向。
類似地，盡管銅在大約70到210公斤/平方厘米的負荷下開始顯示出明顯的材料蠕變，與不銹鋼比較，其值至少為大約700公斤/平方厘米。不銹鋼框架提供可抵抗蠕變的容器40，40`。不銹鋼還具有抗彎能力，其高于銅的抗彎能力30到40％。結果是，容器的大部分具有鋼容器的結構強度和剛度，同時大部分保持了銅容器的導熱系數。
在另一實施例中(未顯示)，未設置使襯里的熱通道直接接觸冷卻流體的開口80，82，80`，82`，而是設置與開口的形狀和尺寸類似的框架薄區(qū)，用作熱窗。薄區(qū)的壁厚小于肋部厚度的一半。最好小于30％。薄區(qū)要足夠薄，不限制熱量流過，還要足夠厚，形成氣體不能滲透的阻擋層。
在又一實施例(未顯示)中，類似框架62，62`的框架夾在類似襯里64和64`的襯里的外側和內側之間。
現在參考圖7和圖8，類似元件的標記帶有雙后綴``，容器40``包括導熱材料形成的內襯里64``，和結構材料形成的框架62``。框架和襯里類似圖2和3所示的襯里64和框架62，除了特別指出。在這個實施例中，框架62``由圓形或管狀管路形成。肋部84``具有叉狀形式(在圖示實施例中有三個)，由片狀金屬線形成，通過銅焊，焊接或其他連接形式，端部連接到環(huán)形部分或支承環(huán)86``，92``。應當理解，肋部不必是圓形，可采用其他形式。支承環(huán)銅焊或焊接到襯里64``。上支承環(huán)86``也通過銅焊，焊接或其他形式連接到陰極板44。下支承環(huán)92``形成凸緣57``，連接到容納軸承(見圖1)的框架的下部58。叉件和支承環(huán)86``，92``之間的間距80``形成熱窗，冷卻油通過熱窗和導熱材料與真空腔熱接觸。可選擇另外的次框架件用于輔助框架，次框架件的變形抗力比襯里大很多，導熱系數比框架大。
現在參考圖9和圖10，其中類似元件的標記帶有三后綴```，新的元件給予新標記，容器40```包括導熱材料形成的內襯里64```和結構材料形成的框架62```?？蚣芎鸵r里類似圖2和3的襯里64和框架62，除了特別指出?？蚣?2```與襯里64```間隔開，除了連接區(qū)97```和98```外，提供了環(huán)形冷卻通道120，使冷卻油可在框架和襯里之間通過。通過設置在襯里和框架之間優(yōu)化油冷卻效率的壁(未顯示)，油可引導通過冷卻通道。導熱襯里可在連接點設有突出部，以保持油間隙寬度。冷卻流體入口和出口端口122，124在框架62```形成，來自X射線管殼體的冷卻流體經入口和出口引導通過冷卻通道?？蛇x擇冷卻流體入口端口122連接到泵(未顯示)，以提供壓力冷卻流體到通道120。
在這個實施例中，熱窗由出口端口124形成，用于冷卻油和腔14之間通過襯里的熱接觸。襯里的全部體積可看作熱通道60```。盡管在圖示的實施例中沒有設置近似于開口80，82的開口，應認識到類似于開口80的開口，最好與入口端口122間隔開，可設置在除出口端口124外的位置，或代替出口端口124。
本發(fā)明已經參考優(yōu)選實施例進行了介紹。對于閱讀和了解了前面詳細介紹的人員可對實施例進行改進和變化。希望本發(fā)明包括所有的這些改進和變化，這些未脫離所附權利要求或其等同體的范圍。
權利要求
1.一種X射線管(11)，包括框架(16)，其形成真空腔(14)；陽極(12)，設置在真空腔內；框架包括圍繞陽極的容器(40，40`，40``，40```)，容器由高導熱性和低變形抗力的材料和高變形抗力和低導熱性的材料組合形成。
2.根據權利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述容器包括襯里(64，64`，64``，64```)，用導熱材料形成，所述材料至少部分形成真空腔；和支承襯里的框架(62，62`，62``，62```)，用結構材料制成，所述框架形成至少一個熱窗(80，80`，80``，82，82`，124)，襯里通過熱窗，與真空腔和周圍的冷卻流體熱接觸。
3.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述框架和襯里是同心的。
4.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述框架(62，62``，62```)圍繞所述襯里(64，64``，64```)。
5.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述熱窗包括至少一個槽(80，80`，80``，82，82`)，由襯里(64，64`)形成。
6.根據權利要求5所述的X射線管，其特征在于，至少一個槽包括多個角度間隔的槽(80，80`，80``，82，82`)。
7.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述導熱材料的導熱系數至少為結構材料的2倍。
8.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述結構材料的屈服強度至少為導熱材料的2倍。
9.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述結構材料包括不銹鋼。
10.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述導熱材料包括銅。
11.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述襯里包括圓柱形側面(67，67`，67```)和基體(68，68`，68```)，其中所示框架包括圓柱形側面(75，75`，75```)和基體(76，76`，76```)，所述襯里的側面連接到所述框架的側面。
12.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述襯里和框架中的一個容納于襯里和框架中的另一個。
13.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述襯里形成中心孔(70，70`，70``，70```)和框架形成中心孔(78，78`，78``，78```)，陽極包括軸(17)，其穿過中心孔延伸。
14.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述襯里和框架之間形成流體流道(120)，供冷卻流體接觸襯里。
15.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，還包括封閉同期(40，40`，40``，40```)的端部(42)的板(44)，板形成了孔(46)，陰極組件通過孔延伸，發(fā)射的電子在陰極和陽極之間通過。
16.根據權利要求2所述的X射線管，其特征在于，所述容器包括導熱和結構材料的疊層。
17.一種X射線管組件(10)，包括權利要求1所述的X射線管；和殼體(30)，圍繞至少一部分的X射線管，所述殼體含有冷卻流體。
18.一種從X射線管(11)傳遞熱量到周圍冷卻流體的方法，包括通過X射線管的用導熱材料制成的襯里(64，64`，64``，64```)從真空腔(14)傳導熱量；用結構框架(62，62`，62``，62```)約束襯里防止變形。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，結構框架形成至少一個熱窗(80，80`，80``，82，82`，124)，熱量直接在襯里和熱窗內周圍的冷卻流體之間流動。
20.一種X射線管(11)，包括導熱襯里(64，64`，64``，64```)，將X射線管的真空腔(14)與周圍的冷卻流體間隔開；結構框架(62，62`，62``，62```)，形成增強襯里抵抗變形的籠狀體。
21.根據權利要求18所述的X射線管，其特征在于，還包括安裝在所述真空腔的陽極(12)。
全文摘要
一種X射線管組件(10)，包括框架(16)，其形成真空腔(14)。框架容納陽極(12)的中心部分(40)是由導熱材料襯里(64)和結構框架(62)形成。襯里將真空腔的熱量傳導到周圍的冷卻流體?？蚣茉O置有窗口(80，80`，80``，82，82`，124)，通過窗口襯里直接熱接觸冷卻流體和真空腔。
文檔編號H01J35/16GK1910724SQ200580002178
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月5日 優(yōu)先權日2004年1月13日
發(fā)明者N·E·溫德克, M·S·馬斯卡 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司